女学生谢拉菲玛
1879年巴甫洛夫从医学院毕业并获四年的奖学金，31岁的他和教育系的女学生谢拉菲玛结婚，婚后妻子把他们的生活料理得井然有序，巴甫洛夫不仅能安心工作，也能好好地休息。
1878年至1890年，巴甫洛夫重点研究血液循环和神经系统作用的问题，当时，神经系统对于许多器官的支配作用和调节作用还没有被人们清楚地认识。在极为恶劣的工作条件下，巴甫洛夫坚持研究。他发现了胰腺的分泌神经。
巴甫洛夫正在与助手一起做手术。
不久，他又发现了温血动物的心脏有一种特殊的营养性神经，这种神经只能控制心跳的强弱，而不影响心跳的快慢。科学界人士把这种神经就称为“巴甫洛夫神经”。巴甫洛夫自此开辟了生理学的一个新分支——神经营养学。1883年写成博士论文《心脏的传出神经支配》，获得帝国医学科学院医学博士学位，讲师职务和金质奖章。
1913年，巴甫洛夫在帝国军事医学科学院
1884-1886年期间，赴德国莱比锡大学路德维希研究室进修，继续研究心脏搏动的影响机制。此时，他提出心脏跳动节奏与加速是由两种不同的肌肉在进行，而且是由两种不同的神经在控制。1886年，他自德国归来后重回大学实验室，继续进行狗的“心脏分离手术”。1887年，他逐渐将研究的方向转向人体的消化系统。
巴甫洛夫做实验的狗狗——它被称为“巴甫洛夫狗”
从1888年开始，巴甫洛夫对消化生理进行研究。他发明了新的实验方法，不是用被麻醉的动物做一次性实验（实验结束，动物就死掉），而是用健康的动物做慢性实验，从而能够长期观察动物的正常生理过程。他还创造了多种外科手术，把外科手术引向整个消化系统，彻底搞清了神经系统在调节整个消化过程中的主导作用。
