巴甫洛夫不是自己孤零零一个人去彼得堡的，他还有两个同伴，弗拉基米尔·戈里佐夫和尼古拉·贝斯特洛夫。他俩是伊凡·巴甫洛夫的同窗好友，而且原来就寄宿在巴甫洛夫家。上学期间，他们在巴甫洛夫家的小顶楼上结伴度过了好几年，巴甫洛夫的母亲把他们当成自己的孩子一样，照料得无微不至，他们和巴甫洛夫亲似一家。有他们同行，巴甫洛夫母亲的担心才减轻了，她说：“好在是结伴同行，不然自己在外，人生地不熟的，就更没法生活了。”
母亲为巴甫洛夫他们准备了一篮子吃的东西，并且千叮咛万嘱咐：“你们三个在外面一定好好处，凡事都要互相照应着点，你们俩离家在外时间长了，巴甫洛夫他第一次长时间离开家，你们俩要多帮帮他。”他们俩点着头，并表示：“我们三个就是到了彼得堡也不分开。”
这几个梁赞的小伙子还算有运气，他们第一次出远门，就赶上当时最新的交通工具——火车。巴甫洛夫把物品都装在一个黄色的箱子里，交给了梁赞小火车站的装卸工。机车进站了，当时每台机车都有自己的名字。巴甫洛夫清楚地记得，他坐的这趟车是“波利亚科夫号”。
一声鸣叫之后，机车从梁赞启动了，望着窗外无数双摇动的手，巴甫洛夫的视线有些模糊了。河流、草地、山川、房屋，所有的一切都飞快地向着机车的后面跑。
他们看着窗外的美好风光，思念着家园，思念着亲人……然后，渐渐地思绪就转到了彼得堡，转向了梦寐以求的大学：他们坐在整齐干净的楼房的教室里，风度非凡的教授在前面讲述着，同学们的一双双眼睛盯着教授，铃声响了，大家把教授团团围住，问这问那，巴甫洛夫站在人群的外围发呆地观看着……
9月的一个早晨，列车到达彼得堡，三个梁赞的小伙子怯生生地从车厢里走出来。巍峨的宫殿，气派非凡的大厦柱廊，带着各种图案花纹的铁栅栏，一个个大院落，大门外的两旁还静立着石头狮子，有的还有卫兵站岗，辽阔的广场，高耸的建筑，伊萨基辅教堂的圆顶，海军大厦的镏金塔尖……所有的一切都是他们很少或没有见过的。他们背着沉重的东西，有时趔趔趄趄地转身观看着，他们根本没想到，以后观看的机会有的是，又何必这么紧张，这么贪婪呢？
他们默不作声地沿着刚刚苏醒的城市街道慢步走着，穿过中央立有圆柱的宫殿广场来到了涅瓦河畔。花岗岩的河岸，灰色的秋云低悬，涅瓦河的寒冷和潮气吹到他们身上，使他们感觉到有些凉意。在河湾背后的对岸，遗臭千年的暗炮台（囚室）阴森森的石墙和塔楼矗立在水面，显得那么突兀。原来这就是彼得保罗要塞，大名鼎鼎的尼·加·车尔尼雪夫斯基和皮萨列夫就在这里受过折磨。长篇小说《怎么办？》和皮萨列夫宣传自由思想的文章就是在这里写成的。正是这些作品唤醒了这些梁赞神学校普通学生的灵魂，促使他们离开父母，离开家园，并矢志寻求自己新的生活道路。
他们的目的是想上大学。那么，梁赞离莫斯科近在咫尺，为什么不在莫斯科而不惜长途跋涉800俄里（1俄里为1.06公里）去彼得堡上大学呢？莫斯科又不是没有大学。原因是彼得堡的涅瓦河畔住着《反射》的作者伊万·米哈依洛维奇·谢切诺夫。这一点在伊凡·彼得罗维奇·巴甫洛夫选择求学地点时起了决定性的作用。至于他的两个同学来这里，是为了有个伴，日后大家在一起也好有个照应。
在一般人的眼里，一个农家孩子，宗教中学毕业，做了神学教职人员，在当地人中间就已经是出人头地了，就是相当不错的了。当时俄国的科学是相当落后的，从事科学研究的人也是极少数，他们在民众的眼光中也没有多大的价值。当然这只是一种世俗的看法，这种看法并没有动摇巴甫洛夫的决心。一个在乡间小镇上长大的孩子，对科学研究是怎么回事知道得并不多，更不了解布满在科学研究道路上的艰难险阻。但是，巴甫洛夫想过不管有多大困难，他也要坚定地走下去。决心已定，就是十头老牛也拉不回了。
彼得·巴甫洛夫毕竟是个有文化的人，他没有其他乡下人的那么多偏见和固执。虽然，他得知儿子的志向不是研究神学而是研究自然科学时，曾一度很伤心。但当他理解了主持礼拜、晚祷、给新生儿施洗礼、给死者唱挽歌这一套不合儿子的心意时，就不再难为他了。他认为这是儿子自己的事，他有权自作主张。
后来，父亲还曾鼓励儿子，求学应当肯于吃苦，他讲到自己的求学之难：是在没有任何外援的情况下，从原籍农村步行近200俄里，来到梁赞上宗教中学的。
伊凡·巴甫洛夫手里拿着证明信和各种关系，排在长长的队伍中等候入学登记。他左顾右看，大学的校园里有几百个像他们这样从俄国各地来到这里的学生，走廊里、入口处的前厅里到处挤满了青年。后来，巴甫洛夫不止一次地回忆起当年那涌入科学大洪流里强大的人流。著名土壤学家瓦西里·多库恰耶夫，无线电发明家亚历山大·波波夫，出色的数学家亚历山大·利亚普诺夫和植物学家伊万·鲍罗金，后来成为巴甫洛夫战友的生理学家尼古拉·维坚斯基和他学术上的对手神经学家弗拉基米尔·别赫捷列夫——所有这些人几乎都在这人流当中。
这时的伊凡·巴甫洛夫，已经跟着队伍来到了校长办公室门前。他将事先写好的申请书交给了彼得堡大学校长，四品文官卡尔·费道洛维奇·克斯列夫大人阁下。
申请书中写道：
生已修完梁赞神学校普通教育之全部课程，敬请校长大人阁下准予进入帝国圣彼得堡大学法律系就读。随函附上成绩单及操行证明、出生证，生之家长梁赞拉扎列夫基地教堂神父彼得·德米特里耶维奇·巴甫洛夫1869年的职务证明，学校附校长的品行证明信。
申请人 伊凡·巴甫洛夫
1870年8月
在品行和学习成绩证明信中说：神学校学生伊凡·巴甫洛夫学习“异常勤勉”，其有关科目的学习成绩分别为“优良，优秀，优异”。
他之所以申请攻读法律系，原因是该系不需要考数学。这位未来的科学家对数学这一科没有抓紧。因为怕数学考不及格，他耍了一点花招，准备混过一段时间后再另想办法。
入学考试顺利通过，并且注了册之后，巴甫洛夫提出了第二份事先准备好的申请，又呈给办公室的那位卡尔·费道洛维奇·克斯列夫校长大人阁下。
生经反复考虑，决定攻读自然科学。诚恳请求校长大人准生由法律系转入物理数学系自然科学专业学习。
校长心想：学生还年轻，一时没有考虑周全，选择一个自己感兴趣的专业，那将来会是大有出息的，这次就成全他吧。
梦寐以求的理想就这样拐个弯最后实现了，巴甫洛夫成了理科大学生。无论是漫步在回声很响的大学走廊里，还是听那些久负盛名的学者们讲课，他都感到自豪而激动。
1870年的冬季，彼得堡大学的德米特里·伊凡诺维奇·门捷列夫把自己观察和研究过的化学元素列成了一个表，叫做化学元素周期表，这个表使他在全世界享有盛名。这个门捷列夫正是伊凡·巴甫洛夫的化学教师。通过他的教学，巴甫洛夫知道了所有的物质都是通过严格的、完全固定的从属关系相互联系在一起的。
另一位化学教师亚历山大·米哈伊洛维奇·布特列洛夫讲授的题目更深一些。他的讲座是关于有机化学的。他奉献给学生们的也是最新的科学结论：在这以前不久成功地完成了区分生物与非生物的神秘“生命力”的研究。正是在那个时候，在实验室里才首次成功地用普通的无机物合成了有机物质，并以此证明，在无机物和有机物之间没有不可逾越的界限。这在科学上也是一场划时代的真正革命。
在大学的实验楼里，可以遇到因“反射”学说被医学外科学院革除教职的伊万·米哈依洛维奇·谢切诺夫。在这里，这位温文尔雅，满头黑发，长着一副容易激动的麻脸的人，不停地哼着歌曲，出于对科学的热爱，经德米特里·伊凡诺维奇·门捷列夫特许，在进行实验。遗憾的是，由于他大胆阐述自己的独立观点，用事实来否定宗教神学的论点，被沙皇政府驱逐到敖德萨。人称生理学的19世纪是伊万·米哈依洛维奇·谢切诺夫世纪，20世纪为伊凡·彼得罗维奇·巴甫洛夫世纪。这位被巴甫洛夫称为“俄罗斯生理学之父”的巴甫洛夫的老师在彼得堡大学和他学生在一起的时间是短暂的，流放外地严重地损害了他的身心健康，严重地影响了他的生活和研究。他后来从敖德萨回到彼得堡，到彼得堡后做的第一件事就是拜访他的学生巴甫洛夫并参观他的实验室，对巴甫洛夫的成绩给予了极高的评价。他慢条斯理地说：“原来我认为卡尔·路德维希是最好的生理实验家，现在我发现，您应该名列第一。”
大学生伊凡·巴甫洛夫潜心治学，除上课外，他常呆的地方就是图书馆和实验室。他一做起实验来，就顾不得吃饭，顾不得睡觉，像是被强大的磁石吸住一样。
老师们上课，他都认真地听，并能完整地记录下来，之后看笔记，不懂的地方就查阅有关的书，再不懂，他的老师就倒了霉了，他常常打破沙锅问到底，有时弄得老师无言以答。
他和梁赞的一个朋友一起，住在离大学不远的瓦西列夫斯基岛上拉里男爵夫人家中。每天坐马车去学校只要花五戈比。然而这五戈比对他来说太重要了。他钱紧得很，尤其是从法律系转到自然科学系以后，由于来得晚，失去了奖学金，生活全得靠自己。他很节省，为了这五戈比早出晚归，每天都从住宿地步行到学校，这使他养成了一个良好的习惯，一生中都这样，愿意步行，很少使用交通工具。
饭也得省着吃，每天都到学生食堂去吃免费的面包，加上点芥菜，幸好公费食堂里面管饱吃。
即使这样，也觉得钱不宽裕，于是他就给私人上课，或搞翻译来挣点钱。第一学年完了，巴甫洛夫过得特别累，学习、生活都是很艰苦的。自从他从房上摔下来以后，身体一直多病不怎么好，父母就让弟弟多照顾他。因而他在生活各方面完全是外行的。
一年之后，弟弟德米特里·巴甫洛夫和他一样，也考入了彼得堡大学，而且入学时也是法律系，录取一个月后又向校长提出：“经过反复考虑，决定攻读自然科学。诚恳请求校长大人准许由法律系转入……”当然，如果严格一点的话，原来志愿是什么就是什么，早就应当考虑好嘛，为什么要转来转去呢？可话又说回来，一个人如果专业对了头，效果就会更好。就这样，卡尔·费道洛维奇·克斯列夫校长，虽说不是很干脆，但还是批准法律系一年级学生德米特里·巴甫洛夫转入自然科学专业就读。
他们的三弟弟彼得后来也考入了彼得堡大学，令这个德国籍校长卡尔·费道洛维奇·克斯列夫吃惊的是，梁赞到底有多少个巴甫洛夫，会不会又是“经反复考虑……”然而，这回是不会的，三弟弟彼得的数学游刃有余，没费多大劲就通过了考试，直接进入自然科学系。
从大哥伊凡·巴甫洛夫开始，弟兄们一连搞出两份转系申请书。敬爱的卡尔·费道洛维奇·克斯列夫校长可曾知道，由他之手通过进入自然科学系的三个大学生后来全都成了科学家。伊凡——生理学家，德米特里——化学家，彼得——动物学家。
毫无疑问，巴甫洛夫兄弟都属于性格坚强的人。兄弟三个最有天赋的是三弟弟彼得。他高高的个头，淡黄色的头发，学习很轻松。在兄弟们中间，教师们首先看中的是他。上大学的时候，他就开始研究科学。大学毕业后，从事鸟类研究，而且一帆风顺。伊凡·巴甫洛夫成为科学家，那是后来才得心应手的。他成名以后还常说：“我家的彼得可比我能干得多。”
可惜的是，这样优秀的人才过早地离开了人世，那纯属偶然和意外。那是一年冬天，弟兄们回故乡梁赞度假，外出冬猎，不喜欢这一运动的伊凡·巴甫洛夫留在家里没去。小弟弟谢尔盖还是个毛孩子，人们不领他去，他哭闹着非要去，无奈只好领着他。走在深山老林的雪地里，他的身体有些不支，一下子滑进一个坑里。彼得把猎枪递给他，叫他抓住，然后往上拉。可是无可挽救的灾难发生了：谢尔盖慌乱之中扣动了扳机，枪响了，整整一枪膛铁砂全打在彼得身上，距离又那么近，枪口几乎是顶着他的胸膛。彼得就这样死去了。
德米特里·巴甫洛夫外表和伊凡·巴甫洛夫很相似，年轻的脸上蓄着浓密的栗色胡子，淡蓝色的眼睛，身体健壮结实，但性格却和伊凡·巴甫洛夫迥然不同。他生性好动，坐不住板凳，而且强壮有力，喜欢和别人比高低，不能很好地约束自己。
尽管如此，德米特里·巴甫洛夫的到来，可减轻了伊凡·巴甫洛夫的生活负担。他在彼得堡安顿下来以后，很快广交朋友，在他的努力下，哥俩租的房子，几乎和自己家的住房相似，木头结构，而且房费还便宜。
彼得堡大学的学习任务是很重的，开设的课程门类很多，而且必须得在规定的时间内学完并通过考试。一进学校不仅要上课，还要进行大量的实验，什么显微镜、解剖刀，什么各种动物切片、细胞、原生质……可真是搞得学生们焦头烂额。有些意志脆弱者还会因此得上神经错乱等疾病。
伊凡·巴甫洛夫的第一年过得也很不轻松，开春的时候，搞得他筋疲力尽，神经也有点紧张。幸亏医生的诊断书证明，学校才同意把他第一学年的考试移到了第二学年的开学初。这样，他回家休息了一个夏天之后，才顺利地通过了考试。
据巴甫洛夫后来回忆，他的同学中，有患精神忧郁症的，还有患精神分裂症的。巴甫洛夫说他们都是神经脆弱的人，“你们知道我从来都不脆弱……我很坚强，当然，我的精神永远不会错乱……”
巴甫洛夫制定了一个特殊的生活规划。规划中有长远的目标，也有近期的打算，以后，对于他亲手制定的这些原则，他一直谨守不渝。
他通过自己的学习和研究总结出：“青年时期最主要的目标是，应该使自己学会思考。思考——就是认真地研究事物，今天、明天都注意它。要写、要谈论，和别人争论，从不同的方面研究它，收集各种有利于这种结论和另一种结论的资料，消除各种反对意见，简言之，就是体会一下高度的思想集中，脑力劳动的甘苦。”这番话明确地表示，科学工作者必须对自己研究的科目进行不断的思考。这一点，巴甫洛夫从他的老师谢尔盖·彼得洛维奇·鲍特金那里获益匪浅。
一天清晨，巴甫洛夫很早就来到了实验室，继续做他昨天深夜没有做完的实验。这次实验特别重要，按照原来的计划，要完成这次实验，至少要用5天的时间。巴甫洛夫心急如焚地开始了他又一天的工作。这时，鲍特金教授推门走了进来：
“喂！巴甫洛夫，你在干什么？”
“教授，我在做实验。”
“那么，白天你在做什么？”
“白天我也在做实验。”
“那么，晚上你在做什么？”
“昨天晚上我也在做实验。”巴甫洛夫没有明白教授问话的含义，就如实地把这一两天的活动说了出来。
“那么，”教授毫不放松地问道：“你什么时间休息？什么时间思考？”不容巴甫洛夫申辩，教授继续大声地说道：“思考！思考！你要知道，对于一个科学工作者最重要的就是思考！”
教授的这个批评，虽然冤枉了巴甫洛夫，但是，巴甫洛夫一点也不感到委屈，相反他始终牢记着鲍特金教授的这个教导，一生都在努力思考着。依靠实验和思考，他在以后的几年中，发现了胰腺的分泌神经。接着他又在心脏神经中发现了一种特殊的神经纤维，这种神经只能控制心跳的强度，而不影响心跳的快慢。科学界的人士为了表彰巴甫洛夫的这个新发现，把这种神经称为“巴甫洛夫神经”。
鲍特金教授没有活到20世纪，他为科学事业献出了毕生的精力。巴甫洛夫深切地怀念着自己的老师，常常说：“我研究工作的基本思想——神经论的思想，应当归功于谢尔盖·彼得洛维奇·鲍特金。”
这虽然是后话，但它说明正确的方法，对科学工作者来说是多么的重要！
伊凡·巴甫洛夫在大学二年级的时候，就开始听他盼望已久的生理学课程，讲课人是菲利普·瓦西里耶维奇·奥夫相尼科夫，俄国知名学者，院士。另一位是血液循环方面的著名专家——伊里亚·法捷耶维奇·齐昂。他曾就学于基辅大学和柏林大学，一直在国外学习和工作，曾荣获法国科学院的金质奖章，不久前回国。他用实物向学生们演示动物实验，他实验做得很巧妙，技艺超群。
最使巴甫洛夫铭记在心的是在生理学第一次实验课上，他以轻巧优雅的动作，在学生们面前“打开了”实验用兔子的躯体，亮出了正在搏动的心脏，好像他珍藏的那些生物器官画片一下子复活了一样。心泵有节奏地收缩，把赋予生命力的含有氧气的血液压进了血管。巴甫洛夫头脑中马上联想到这就是刘易斯《日常生活中的生理学》中所说的“生命之河”。而沿着血管展开的是纤细的白色神经纤维，它们汇集成神经干，通往“最高指挥部”——脑。脑通过神经下达指挥命令。
齐昂教授的实验讲解，使大学生巴甫洛夫像着了魔一样。他后来回忆道：“使我们大家惊讶的是他能巧妙地对最复杂的生理学问题进行深入浅出的说明。这样的老师使人终身铭记。正是在他的亲自指导下，我做了自己的第一次生理实验。”
这次实验是有关心脏、神经和控制心脏的心律的。这使巴甫洛夫有机会第一次亲自寻找不易分辨的神经纤维，把神经和各种组织分开，跟踪观察这些神经通往何处。而这一切都是在一只活着的实验用狗身上进行的，心脏还在跳动，肺仍在呼吸。
巴甫洛夫的全部大学时间都是在生理学实验室里度过的，他的激情并不亚于他那专心致志进行科学探索的老师。伊利亚·法捷耶维奇·齐昂教授越来越多地委托他进行独立研究，不仅与心脏活动有关，而且与胃的功能有关，在这些领域里还有很多科学未曾涉足的“空白点”。
在大学的“大学生科研成果研讨会”上，巴甫洛夫作了科研成果报告，受到校内外科学界的一致好评。为此，巴甫洛夫荣获金质奖章并得到皇家奖学金。他太爱生理学了，他对它投入了太多的精力和时间，以至于在毕业考试临近时，才突然意识到：剩下的时间无论如何也来不及了……于是，他在大学最后一年自动申请留级。
很快，他“决定在四年级重读一年”的申请被学校批准了。其实，巴甫洛夫留级的真正目的是继续专心致志于自己心爱的课程——生理学，以便打下坚实的基础。在他的作息时间表上，这一年过得飞快，他顺利地通过了毕业考试，获得了自然科学硕士的称号和在俄国任何一个数学或科研单位当实验员的资格。
伊凡·巴甫洛夫从彼得堡大学自然科学专业毕业后，又进入了当时欧洲最负盛名的学府之一——医学外科学院。正如他自己解释他的这一决定时所说，他入学的目的“不是想成为医生”，而是想获得医学博士学位，以后能有资格去主持生理学讲座。
伊凡·巴甫洛夫就这样沿着老师的足迹走上了科学的道路，终于成了一个第一流的外科医生。巴甫洛夫院士后来对笨手笨脚的助手做手术看不顺眼时，就自己拿起解剖刀走上手术台，三下两下就完事。当周围的人们还在进行准备工作时，巴甫洛夫已经脱下手术用的手套，洗手去了……
然而，巴甫洛夫为了主持生理学的讲座，却付出了巨大的精力和艰辛！为了实现这一目标，花费了他整整十年的光阴，人一生能有几个年富力强的十年啊！这十年中，有谁知道，他遇到过多少艰巨的任务，有过多少忧虑，生活中又有多少曲折和不快，他又是经受过多少次考验啊！
这命运攸关的十年，包括他在医学院学习和医学院研究生院学习，以及为了深造而长期在国外出差的时间。这十年，他曾当过生理学讲座助理，曾在教学医院工作过，包括从事在他生活中占着越来越重要地位的科学研究，还包括准备博士论文的这段时间。
对于他本人和他的家庭，这十年光阴又是最艰难的。家用入不敷出，妻子谢拉菲玛·瓦西里耶夫娜回忆道：“没有钱买家具、炊具、茶具。”他自己没分到房子，长期寄人篱下，很长时间他一家和弟弟德米特里住在一起，住在分给德米特里的大学寓所里。最大的不幸是头一个孩子死去，而一年之后，幼儿又意外地夭折，妻子谢拉菲玛·瓦西里耶夫娜·卡尔切夫斯卡娅由于心理受到严重打击而长年卧病不起，所有这些，又分散了他多少搞科研的精力！
医学院毕业后，巴甫洛夫光考试就参加了27场！而争取“留校”的竞争相当激烈：244个毕业生中只有46个人有权参加，而只能录取7个人，由评委会择优挑选。对于巴甫洛夫来说，这是他继续从事科研工作的惟一机会。如果失败，他就得立即离家前往第三十二克列门楚哥团服役，去当军医。结果，巴甫洛夫写了一篇《操切从事有弊无利》的论文，排列第四位。
虽然学位论文答辩成功并获得了博士学位，但伊凡·巴甫洛夫仍未能主持讲座，当时的彼得堡没有空位子，他被挤得无容身之地。他不得不给国民教育部长杰梁诺夫递上一份呈文，请求能给他提供“俄国任何一所大学的任何一个科学实验讲座”。但是并没有人及时向这位青年科学家提供一项合乎专业的学术工作。后来他决定去西伯利亚，去鄂木斯克，那里正好新建成一所大学。但另一个也希望获得讲座的人却得到优先照顾，尽管他是个动物学家。巴甫洛夫想进入自己的母校——彼得堡大学又遭碰壁。直到他第三次申请时，才终于成为医学学院药理学研究室教授。
