В 1875 г. Павлов блестяще закончил университет, получив ученую степень кандидата естественных наук. Ему шел тогда 26-й год. С радужными надеждами выходил молодой ученый на дорогу самостоятельной жизни.
Поначалу все складывалось для И. П. Павлова удачно. И. Ф. Цион, занявший оставленную Сеченовым должность заведующего кафедрой физиологии в Медико-хирургической академии, пригласил молодого ученого в качестве своего ассистента. Одновременно Павлов поступил на третий курс академии «не с целью сделаться врачом, а с тем, чтобы впоследствии, имея степень доктора медицины, быть вправе занять кафедру физиологии. Впрочем, справедливость требует прибавить, что этот план представлялся тогда мечтою, потому что о собственном профессорстве думалось, как о чем-то необычайном, невероятном» [9 И. П. Павлов. Полн. собр. трудов, т. V, стр. 371-372.].
Вскоре Цион вынужден был уйти из академии. Павлов, высоко ценивший своего учителя как крупного физиолога, питавший к нему чувство признательности и благодарности, не сумел в то время правильно оценить причину ухода Циона из академии. Павлов счел нужным отказаться от должности ассистента при кафедре физиологии, предложенной ему новым руководителем кафедры профессором И. Ф. Тархановым, и таким образом лишился не только прекрасного места для научной работы, но и заработка. По сообщениям некоторых учеников Павлова старшего поколения (В. В. Савича, Б. П. Бабкина), известную роль в этом решении сыграла некоторая неприязнь Павлова к Тарханову, обусловленная каким-то неблаговидным поступком последнего. Как бы там ни было, в этом факте нашли свое яркое выражение принципиальность и честность Павлова. Свое заблуждение относительно И. Ф. Циона Иван Павлович осознал много позже.
Через некоторое время Павлов стал ассистентом профессора К. Н. Устимовича на кафедре физиологии ветеринарного отделения Медико-хирургической академии. Одновременно он продолжал учебу на медицинском отделении академии.
С. П. Боткин
К. Н. Устимович был учеником К. Людвига и в свое время получил солидное физиологическое образование. В академии он организовал неплохую лабораторию, занимавшуюся вопросами физиологии кровообращения и выделительной функции почек. За время работы в лаборатории (1876—1878 гг.) Павлов самостоятельно выполнил ряд ценных работ по физиологии кровообращения. В этих исследованиях впервые проявились зачатки его гениального научного метода изучения функций организма в их естественной динамике в ненаркотизированном целостном организме. В результате многочисленных опытов Павлов добился измерения давления крови у собак, не усыпляя их наркозом и не привязывая к опытному столу. Он разработал и осуществил свой оригинальный метод хронической фистулы мочеточников — вжйвления конца последних в наружный покров живота.
За время работы в лаборатории Павлову удалось сэкономить небольшое количество денег. Летом 1877 г. он по рекомендации Устимовича побывал в Бреславле, где познакомился с работами известного физиолога профессора Р. Гейденгайна. Поездка за границу расширила научный кругозор Павлова и положила начало дружбы будущего ученого с Гейденгайном.
Исследования Павлова по физиологии кровообращения, проведенные в лаборатории Устимовича, привлекли внимание физиологов и врачей. Молодой ученый становился известным в научных кругах. В декабре 1878 г. знаменитый русский клиницист профессор С. П. Боткин по рекомендации доктора И. И. Стольникова пригласил Павлова работать к себе в клинику.. Формально Павлову предложили занять должность лаборанта физиологической лаборатории, на деле же он должен был стать ее руководителем. Павлов охотно принял это предложение не только потому, что оно исходило от известного ученого. Незадолго до этого было закрыто ветеринарное отделение Медико-хирургической академии и Павлов лишился возможности проводить опыты в лаборатории Устимовича.
Научная работа отнимала у Павлова много сил и времени. Примечательно, что из-за интенсивной научной работы Павлов и выпускные экзамены в академии сдал с годичным запозданием — в декабре 1879 г., получив степень «лекаря с отличием». В январе 1880 г. И. П. Павлов за свои научные работы был удостоен золотой медали. Спустя некоторое время он по конкурсу оставляется при академии для трехгодичного усовершенствования с зачислением на должность «врача для командировок» при клинике Боткина. С этого момента он целиком переключился на исследовательскую работу в лаборатории при клинике. Интересно отметить, что в соответствии с существующими в те времена порядками Иван Петрович одновременно формально был назначен лекарем 32-го Кременчугского полка.