Конечно, узнав о намерении первого сына вместо богословия изучать естественные науки, в семье сильно огорчились. Но, поняв, что сыну не по душе служить, крестить и отпевать, не стали препятствовать его отъезду в Петербург.
В 1875 г., окончив Петербургский университет, получив звание кандидата по разряду естественных наук и право стать лаборантом в любом учебном или научном учреждении России, Павлов поступил на третий курс Медико-хирургической академии «не с целью сделаться врачом», как он сам объяснял свое решение, а с тем, чтобы, имея степень доктора медицины, впоследствии «снискать право занять кафедру физиологии». Знать бы Павлову, сколько тягот, волнений, жизненных неурядиц и горестей пройдет прежде, чем осуществится его заветная цель!
Поначалу все складывалось для И.П. Павлова удачно. До ухода из академии заведующего кафедрой физиологии И.Ф. Циона Павлов работал у него ассистентом. Затем — ассистентом профессора К.Н. Устимовича на кафедре физиологии ветеринарного отделения Медико-хирургической академии до 1878 г., когда знаменитый русский клиницист профессор СП. Боткин пригласил его к себе в клинику. Интенсивная научная работа лаборанта И.П. Павлова в клинике не позволила ему подготовиться к сдаче выпускных экзаменов вовремя, и только с годичным опозданием, в 1879 г., молодой ученый сдал 27 выпускных экзаменов и получил степень «лекаря с отличием».
В этот же период Иван Петрович вместе со своим братом Дмитрием Петровичем — ассистентом Д.И. Менделеева — знакомятся с курсистками — слушательницами Высших женских педагогических курсов. Серафима Карчевская, дочь военно-морского врача, мечтавшая стать учительницей математики, привлекла внимание Павлова восторженным восприятием творчества У. Шекспира. А чем же привлек ее внимание И.П. Павлов?
«Иван Петрович, — вспоминает Серафима Васильевна, — развивал возвышенные теории. Выходило это у него умно, красиво, справедливо и невольно увлекало всех. Был он, однако, очень застенчив и больше любил наслаждаться речами своего брата — химика... Иван Петрович был самый начитанный, но и самый неуемный и горячий спорщик, причем был он очень находчив... его приятели всегда поражались, что он не знал устали ни от каких умственных занятий... За чистосердечную самокритику все его очень любили и ценили».
Серафима Васильевна в своих воспоминаниях набросала живой портрет Павлова в год окончания им академии: «Иван Петрович был хорошего роста, хорошо сложен, ловок, подвижен, любил говорить и говорил горячо, образно, весело... У него были русые кудри, красные губы с совершенно детской улыбкой и чудесные зубы. Особенно нравились мне его умные глаза и кудри, обрамлявшие большой открытый лоб».
