В Петербурге семейная жизнь давалась нелегко. Серафима Васильевна вспоминала: «Не хватало денег, чтобы купить мебель, кухонную, столовую и чайную посуду, да и белья для Ивана Петрович, так как у него не было даже летней рубашки». Только любовь и взаимное уважение служили лекарством от этих невзгод. Павлов писал: «Серафима Васильевна на всю жизнь осталась преданной нашей семье, как я лаборатории».
Близких людей поражали удивительная работоспособность и энергия Павлова. Быстрым шагом, обгоняя даже извозчиков, он ходил в лабораторию больше 10 километров в одну сторону. Следуя в обратном направлении, Иван Петрович всегда возвращался домой к обеду. Нередко, когда шел интересный опыт, он снова отправлялся после обеда в академию. В этом случае домой возвращался часа в два ночи, а утром без опозданий являлся в лабораторию. Эту привычку он оставил на всю жизнь, и только лишь после 1916 г. стал иногда пользоваться трамваем или личным автомобилем, предоставленным ему Академией наук. И причиной тому была не старость, а хромота после перелома шейки бедра в 67 лет, когда вместо того, чтобы обходить канавы на разрытой мостовой, Иван Петрович перепрыгивал их! А после неудачного прыжка около часа ждал карету скорой помощи, подтянувшись руками на перекладинах высокого забора. Вот где пригодились занятия гимнастикой!
21 мая 1883 г. состоялась защита диссертации Ивана Петровича «Центробежные нервы сердца» на степень доктора медицинских наук. В письме к Серафиме Васильевне Павлов с горячностью описал ход защиты: «...вторым говорил Пильц. Говорил, сверх ожидания хорошо. Между прочим, ядовито сказал, что не может согласиться с моим замечанием о скудости нашей лаборатории: не скудна, дескать, та лаборатория, из которой выходят такие работы, как моя, — она сделала бы честь и отлично обставленным лабораториям и т.д. Заявил от лица всей клиники благодарность за помощь знанием и т.д. Наконец, Тарханов. Я не могу передать всей соли начавшегося спора... Но успокойся, моя миленькая. Твой Ванька... сверх ожидания, держал себя вполне с достоинством, без всякой суетни».
Павлов всецело был предан любимому делу. Нередко свои мизерные заработки Иван Петрович тратил на нужды исследовательской работы в своей лаборатории. Одно время ученому приходилось переживать полное безденежье, он был вынужден разлучиться с семьей и жил один в квартире своего приятеля. Ученики задумали ему помочь: пригласили Ивана Петровича прочесть им серию лекций об иннервации сердца и, собрав вскладчину деньги, передали ему, как будто на расходы по курсу. И ничего у них не вышло: он на всю сумму накупил животных для этого курса и себе ничего не оставил.
Вскоре И.П. Павлов по рекомендации СП. Боткина вместе с СВ. Левашовым и В.М. Бехтеревым отправился в командировку за границу в лаборатории известных физиологов того времени Р. Генденгайна и К. Людвига. По возвращении из двухлетней командировки весной 1886 г., Павловых было уже трое — в 1884 г. у них родился сын Владимир. Это был третий ребенок в семье (позже появилось еще трое — два сына и дочь), два первых мальчика умерли от болезней. И.П. Павлов вновь был вынужден работать в лаборатории Боткина. Оборудования в ней почти не было. Большинство приборов сделал сам Павлов. Внимание посетителей привлекал «термостат», состоявший из жестяной банки из-под сардин, прикрепленной к штативу и подогреваемый маленькой керосиновой лампой. Однако и в таких условиях Иван Петрович работал с необыкновенным азартом и своей страстью к научному поиску увлекал других. Прежде чем приступить к очередной работе, он обменивался мыслями с товарищами по поводу данных последних опытов. Эта привычка обсуждать весь материал со своими учениками стала характерной чертой всех павловских лабораторий.
В октябре 1887 г. надворный советник И.П. Павлов обратился с письмом к министру народного просвещения И.Д. Делянову с просьбой предоставить ему кафедру любой из экспериментальных наук в любом из университетов России. Ради работы Иван Петрович готов был ехать хоть в Сибирь.
Но с назначением не спешили, обращения оставались без ответа почти три года. Через год И.П. Павлов стал приват-доцентом в Военно-медицинской академии в С.-Петербурге, читал курс лекций по экспериментальной физиологии «для врачей и всех желающих». Это была внештатная неоплачиваемая должность, приват-доцентами тогда становились энтузиасты, страстно влюбленные в педагогику и зачастую не имевшие перспектив штатной оплачиваемой преподавательской работы. Павлов был приват-доцентом 6 лет.