В 1875 году закончил университет, получив ученую степень кандидата естественных наук. Вслед за учителем И. Ф. Ционом он перешел работать ассистентом кафедры академии и одновременно поступил на третий курс данного учебного заведения для получения диплома доктора медицины.
Из-за ухода И. Ф. Циона из академии И. П. Павлов был вынужден отказаться от прежней должности и перейти на кафедру физиологии ветеринарного отделения Медико-хирургической академии, одновременно продолжая учиться. По рекомендации К. Н. Устиновича в 1877 году он побывал в Бреславле, используя свой заработок, где познакомился с работами физиолога Р. Гейденгайна. После этого он погрузился в экспериментальную работу, тратя все карманные деньги на подопытных животных. В 1883 году он успешно защитил докторскую диссертацию по теме «Центробежные нервы сердца». В дальнейшем используя свое право продолжить усовершенствование по научной стезе и по представлению С. П. Боткина, его направили в двухгодичную заграничную научную командировку.
И. П. Павлов являлся авторитарным и непреклонным ученым в своих изысканиях и в отстаивании научных концепций, которые были обоснованы экспериментальным путем.
В Институте экспериментальной медицины он выполнил работы по физиологии пищеварительных желёз, а в 1904 году стал лауреатом Нобелевской премии.
Его многие научные работы носили концептуальный характер, и одна из них стала общепризнанной научным сообществом – это концепция об анализаторе. Концептуальные расхождения с другими учеными в то время носили непримиримый характер, потому что каждый отстаивал, прежде всего, идейные позиции. Ученые могли работать над одной проблемой, но с разных методологических позиций. В ХХ веке в ученые сходились в одном, признавая за нервной системой главенствующую роль в регуляции жизнедеятельности как организма в норме, так и при формировании патологических процессов.
И. П. Павлов в противоположность учению локализационизма придерживался теории эквипотенционализма, считая, что состояние психической деятельности в равной степени зависит от всех полушарий большого мозга.
В дальнейшем, развивая учение о первой и второй сигнальной системе, по И. П. Павлову были введены в обиход неврологов понятия домината, ассоциация и функциональная асимметрия головного мозга, где психофизиологической основой признается временная нервная связь условного и безусловного рефлекса.
В этот период произошло эпохальное открытие в неврологии, которое разорвало дружбу двух ученых, которые независимо друг от друга, проживающие в одном городе Санкт-Петербурге, в 1903 году одновременно представили научной общественности концепции рефлекторного пути. Это были И. П. Павлов и В. М. Бехтерев. По Павлову, рефлекс «условный», а по Бехтереву рефлекс «сочетательный», которые по своей сути являются по их определению приобретенным