Pavey, en mor till två som bara födde sitt yngre barn Emily för 11 månader sedan, körde den perfekta taktiska tävlingen för att matcha guldet som vanns av hennes gamle vän Paula Radcliffe i München för 12 år sedan.
När Frankrikes Clemence Calvin - 16 år hennes junior och nästan 20 sekunder snabbare denna säsong - gick till fronten med två varv för att gå Pavey stoppas in bakom.
Sedan, vid klockan, hoppade Briton in i ledningen, höll Calvin i schack på baksidan rak och sparkade hårt igen när hon kom av toppen böjen för att tävla till sin första stora titel någonsin.
Hon blir den äldsta kvinnliga guldmedaljören i mästerskapens historia, och efter att ha vunnit Samväldet 5000m brons 10 dagar sedan förseglar en underbar sommar i en ålder då de flesta idrottare är länge pensionerade.
Pavey sa till BBC Sport: "Jag kan helt enkelt inte tro det. Jag hittade det ganska långt - jag tänkte, är detta rätt händelse?
"Jag är jätteglad. Jag försökte göra ett kontrollerat sista varv, men när jag kom hem raka jag tänkte, bara ge det allt du har, så du inte ångrar något."
Tiden - 32 minuter 22.39 sekunder - var irrelevant, Calvin hängande på för silver och hennes landsman Laila Traby ta brons.
Brittisk lagkapten Goldie Sayers hade hållit ett tal inför mästerskapen och ställt en enkel fråga till sina lagkamrater: "Hur skulle du uppträda om detta var sista gången du tävlade?"
Hennes rumskamrat Pavey gav bästa möjliga svar.
Exeter Harrier har sprungit för sitt land så länge att hon gjorde sin debut i en brittisk väst samma år som hennes lagkamrat Morgan Lake föddes.
Över fyra olympiska spel har hon säkrat tre topp tio platser, men detta var en härlig final som få kunde ha förutspått.
Och på hederns knä sprang hon till Emily och fyraårige sonen Jacob innan hon omfamnade maken och coachen Gavin och hennes egna föräldrar.
Tidigare, alla tre av de brittiska männen klarade sig säkert till onsdagens semifinal av 100m, Dwain Chambers vinna den andra värmen i 10.18 seks och James Dasaolu den tredje, lätta upp i 10.22 sek, innan Harry Aikines-Aryeetey tog sin i 10.19 seks.
Men Frankrikes Jimmy Vicaut, den enda mannen på fältet som springer under 10 sekunder i sommar, ser mannen att slå efter en imponerande 10.06 sekunder - den gemensamma tredje snabbaste tiden i mästerskapets långa historia.
Världsmästare Christine Ohuruogu verkar också komma i någon form i rätt tid, vinna hennes 400m värme i 51.40 sekunder, medan Tiffany Porter är i 100m hinder final som snabbast kval.
Men det blev besvikelse för Storbritanniens två 800 miljoner män, Andrew Osagie och Michael Rimmer, som misslyckades med att komma fram till semifinalen, 28 år efter den berömda natten då Sebastian Coe, Tom McKean och Steve Cram vann europeiskt guld, silver och brons för en brittisk ren sopning.
Fyrtioåriga Jo Pavey blev den äldsta kvinnan någonsin att ta guld på en EM när hon vann en spännande 10 000m och fick Team GB: s kampanj i Zürich till den perfekta starten.