Nel periodo dal 1876 al 1878, mentre studiava alla facoltà di medicina, incominciò a collaborare con il dottor Ustimovich della facoltà di veterinaria. Entrando in contatto con questo mondo, Pavlov ebbe l'occasione di partecipare a esperimenti importanti e di fare egli stesso delle indagini. Svolse ricerche approfondite nei campi della fisiologia dell'apparato circolatorio e della fisiologia della digestione. Queste ultime destarono molto interesse anche all'estero e il professor Rudolf Heidenhain, molto interessato al processo della digestione, lo invitò a lavorare nel suo laboratorio di fisiologia a Breslavia. Pavlov ebbe in tal modo occasione di studiare gli effetti della legatura dei dotti pancreatici nei conigli. Questo fu il suo primo lavoro, pubblicato nel 1878.