Особенно сильное впечатление на И. П. Павлова в юношеском возрасте произвела одна книга, о которой он потом всю жизнь вспоминал с благодарностью. Это была книга нашего великого соотечественника, отца русской физиологии Ивана Михайловича Сеченова. Уже в конце своей жизни, подытоживая огромный опыт по изучению высшей нервной деятельности, И. П. Павлов писал: «При изучении собаки, ближайшего и вернейшего спутника человека еще с доисторических времен, главным толчком к моему решению, хотя и не сознаваемому тогда, было давнее, еще в юношеские годы испытанное влияние талантливой брошюры Ивана Михайловича Сеченова, отца русской физиологии, под заглавием «Рефлексы головного мозга».
Непреодолимое влечение к естествознанию заставило И. П. Павлова в 1869 году бросить семинарию и вместе со своими товарищами — единомышленниками отправиться в далекий Петербург, чтобы поступить на естественный факультет университета. Здесь он навсегда связал свою жизнь с физиологией. После окончания университета И. П. Павлов решил пополнить свои знания по физиологии, в частности по физиологии и патологии человека. С этой целью он в 1874 году поступил в Медико — хирургическую академию. Блестяще окончив ее, И. П. Павлов получил двухгодичную заграничную командировку. Снова вернувшись в Россию, он целиком отдал себя науке.
Все работы по физиологии, проведенные И. П. Павловым на протяжении почти 65 лет, в основном группируются около трех разделов физиологии: физиологии кровообращения, физиологии пищеварения и физиологии мозга.
Очень скоро было определено и направление его поисков: только раскрыв нервный механизм простейших функций организма, можно было разрешить проблему мозговой деятельности.
Работы И. П. Павлова по кровообращению связаны главным образом с его деятельностью в клинике знаменитого русского клинициста Сергея Петровича Боткина с 1874 по 1885 год. Правда, лаборатория С. П. Боткина была очень небольшой; она помещалась в бывшей деревянной бане клиники. Заведовать лабораторией С. П. Боткин пригласил И. П. Павлова. Хотя И. П. Павлов до этого интересовался вопросами пищеварения, здесь под влиянием общей атмосферы клиники С. П. Боткина он целиком отдался изучению механизмов сердечно — сосудистой системы. И. П. Павлов целыми днями занимался работой с лекарствами, но вместе с тем он не мог не заметить новых для физиологии явлений в сердечно — сосудистой системе. Как азартный охотник пробирается все глубже и глубже в густые заросли в поисках долгожданной дичи, так и И. П. Павлов с жадностью набрасывался на всякое наблюдение или случайное явление в эксперименте. Он забросил дом, забыл о материальных нуждах, о своем костюме и даже о своей молодой жене. Его товарищи не раз принимали участие в его судьбе, желая чем?нибудь помочь ему. Однажды группа товарищей собрала в складчину некоторую сумму и предложила ее И. П. Павлову. И. П. Павлов принял эту товарищескую помощь, но каково же было удивление товарищей на другой день, когда они убедились, что он на эти деньги накупил целую свору собак, чтобы поставить интересующий его эксперимент. Он весь был полон той всепоглощающей страстью к исследованию, о которой он писал в своем знаменитом письме к молодежи: «Будьте страстны в ваших исканиях».
Первым серьезным открытием, которое создало ему славу, было открытие так называемого усиливающего нерва сердца. До И. П. Павлова было известно, что сердце регулируется в своей работе блуждающим нервом. Этот факт подробно был исследован братьями Вебер, немецкими учеными — физиологами, с именами которых и связано открытие тормозящего действия блуждающего нерва на сердце. Экспериментируя на собаках, И. П. Павлов обратил внимание, что при раздражении некоторых нервов сердце начинает сокращаться более сильно. Замечательным было также то, что уже остановившееся сердце могло быть вновь приведено в действие, если раздражать этот нерв. Впоследствии этот нерв получил название «нерва Павлова». Весь этот цикл работ И. П. Павлова был оформлен в виде его докторской диссертации под названием «Центробежные нервы сердца», за которую он в 1883 году получил звание доктора медицины. Уже в этот период обнаружилась одна принципиальная особенность научного творчества И. П. Павлова, которая впоследствии создала самое плодотворное из всех физиологических направлений. Эту принципиальную особенность можно формулировать так: изучать животный организм в его целостном, естественном поведении. Изучение всех проявлений организма должно производиться в условиях, максимально приближающихся к естественным условиям жизни животного. Между тем обстановка большинства физиологических экспериментов того времени коренным образом отличалась от естественной. Животное погружалось в наркоз, и на таком наркотизированном животном производилось измерение кровяного давления, учет работы сердца и т. д. Получал ли экспериментатор при этом правильные сведения? Теперь мы знаем, что выключение наркозом огромного влияния центральной нервной системы на работу внутренних органов делает все наблюдения неполноценными. И. П. Павлов нарушил установившуюся традицию экспериментирования и разработал способ измерения кровяного давления у животного в нормальном состоянии.