Итак, в 1879 г. Павлов в числе других 46 выпускников, получивших дипломы с отличием, был удостоен права участвовать в конкурсе «на оставление при академии для усовершенствования на три года». Эта была единственная возможность продолжить занятие наукой. В случае неудачи он должен был немедля отправиться для прохождения службы в 32-й Кременчугский полк военным врачом. Дело в том, что Медико-хирургическая академия была реорганизована в Военно-медицинскую, и за каждый год обучения в академии он обязан был отслужить полтора года в войсках. Только семеро из конкурсантов по итогам сочинения и тайного голосования могли стать институтскими врачами. Сочинение под девизом: «Спешить думать — плохо думать» — оказалось на четвертом месте. Его автором был Иван Петрович Павлов.

Об актуальности исследований Павлова и высоком научно-методическом уровне его работ говорит факт награждения его в 1880 г. золотой медалью на конкурсе научных исследований выпускников академии. Одну из двух серебряных медалей получил В.Д. Отт, будущий знаменитый акушер-гинеколог.

Радость, доставляемая творческими успехами и их высокой оценкой, постоянно отравлялась тяжелыми материальными условиями существования. Средств от работы в лаборатории и чтения курсов не хватало. Иван Петрович не отказывал в помощи врачам клиники Боткина. При его участии было написано 8 диссертаций. На подготовку своей диссертации не оставалось времени, да и с выбором темы не ладилось. СП. Боткин мог поделиться своими идеями, выбор же темы диссертации и методик ее разработки Павлов делал самостоятельно.

Дмитрий Петрович посмеивался над братом и утверждал, что тот слишком много времени тратит на письма к невесте (Серафима Васильевна работала учителем в сельской школе). Отчаявшись, Иван Петрович взял отпуск и уехал в Ростов-на-Дону, куда приехала и его невеста. 25 мая 1881 г. они обвенчались. Серафима Васильевна знала о предстоящих трудностях семейной жизни, знала, что Иван Петрович всегда отличался отрешенностью от мирских забот. Приехав за полгода до свадьбы на каникулы в Петербург, она купила себе теплые сапоги. В деревне они были необходимы. По возвращении обнаружила в своем чемодане лишь один. Оказалось, Иван Петрович оставил второй себе на память о невесте! Выйдя замуж, она получила еще одно свидетельство непрактичности мужа: он не позаботился о деньгах на обратный путь. Пришлось занимать средства у родственников.

В Петербурге семейная жизнь давалась нелегко. Серафима Васильевна вспоминала: «Не хватало денег, чтобы купить мебель, кухонную, столовую и чайную посуду, да и белья для Ивана Петрович, так как у него не было даже летней рубашки». Только любовь и взаимное уважение служили лекарством от этих невзгод. Павлов писал: «Серафима Васильевна на всю жизнь осталась преданной нашей семье, как я лаборатории».

Близких людей поражали удивительная работоспособность и энергия Павлова. Быстрым шагом, обгоняя даже извозчиков, он ходил в лабораторию больше 10 километров в одну сторону. Следуя в обратном направлении, Иван Петрович всегда возвращался домой к обеду. Нередко, когда шел интересный опыт, он снова отправлялся после обеда в академию. В этом случае домой возвращался часа в два ночи, а утром без опозданий являлся в лабораторию. Эту привычку он оставил на всю жизнь, и только лишь после 1916 г. стал иногда пользоваться трамваем или личным автомобилем, предоставленным ему Академией наук. И причиной тому была не старость, а хромота после перелома шейки бедра в 67 лет, когда вместо того, чтобы обходить канавы на разрытой мостовой, Иван Петрович перепрыгивал их! А после неудачного прыжка около часа ждал карету скорой помощи, подтянувшись руками на перекладинах высокого забора. Вот где пригодились занятия гимнастикой!

21 мая 1883 г. состоялась защита диссертации Ивана Петровича «Центробежные нервы сердца» на степень доктора медицинских наук. В письме к Серафиме Васильевне Павлов с горячностью описал ход защиты: «...вторым говорил Пильц. Говорил, сверх ожидания хорошо. Между прочим, ядовито сказал, что не может согласиться с моим замечанием о скудости нашей лаборатории: не скудна, дескать, та лаборатория, из которой выходят такие работы, как моя, — она сделала бы честь и отлично обставленным лабораториям и т.д. Заявил от лица всей клиники благодарность за помощь знанием и т.д. Наконец, Тарханов. Я не могу передать всей соли начавшегося спора... Но успокойся, моя миленькая. Твой Ванька... сверх ожидания, держал себя вполне с достоинством, без всякой суетни».

Павлов всецело был предан любимому делу. Нередко свои мизерные заработки Иван Петрович тратил на нужды исследовательской работы в своей лаборатории. Одно время ученому приходилось переживать полное безденежье, он был вынужден разлучиться с семьей и жил один в квартире своего приятеля. Ученики задумали ему помочь: пригласили Ивана Петровича прочесть им серию лекций об иннервации сердца и, собрав вскладчину деньги, передали ему, как будто на расходы по курсу. И ничего у них не вышло: он на всю сумму накупил животных для этого курса и себе ничего не оставил.

Вскоре И.П. Павлов по рекомендации СП. Боткина вместе с СВ. Левашовым и В.М. Бехтеревым отправился в командировку за границу в лаборатории известных физиологов того времени Р. Генденгайна и К. Людвига. По возвращении из двухлетней командировки весной 1886 г., Павловых было уже трое — в 1884 г. у них родился сын Владимир. Это был третий ребенок в семье (позже появилось еще трое — два сына и дочь), два первых мальчика умерли от болезней. И.П. Павлов вновь был вынужден работать в лаборатории Боткина. Оборудования в ней почти не было. Большинство приборов сделал сам Павлов. Внимание посетителей привлекал «термостат», состоявший из жестяной банки из-под сардин, прикрепленной к штативу и подогреваемый маленькой керосиновой лампой. Однако и в таких условиях Иван Петрович работал с необыкновенным азартом и своей страстью к научному поиску увлекал других. Прежде чем приступить к очередной работе, он обменивался мыслями с товарищами по поводу данных последних опытов. Эта привычка обсуждать весь материал со своими учениками стала характерной чертой всех павловских лабораторий.

В октябре 1887 г. надворный советник И.П. Павлов обратился с письмом к министру народного просвещения И.Д. Делянову с просьбой предоставить ему кафедру любой из экспериментальных наук в любом из университетов России. Ради работы Иван Петрович готов был ехать хоть в Сибирь.

Но с назначением не спешили, обращения оставались без ответа почти три года. Через год И.П. Павлов стал приват-доцентом в Военно-медицинской академии в С.-Петербурге, читал курс лекций по экспериментальной физиологии «для врачей и всех желающих». Это была внештатная неоплачиваемая должность, приват-доцентами тогда становились энтузиасты, страстно влюбленные в педагогику и зачастую не имевшие перспектив штатной оплачиваемой преподавательской работы. Павлов был приват-доцентом 6 лет.

Свою первую в жизни награду за научные труды И. П. Павлов получил в 1 декабря 1888 г. (было ему тогда 39 лет). Это была премия Варшавского университета им. Адама Хойнацкого в размере 900 рублей за сочинение «Усиливающий нерв сердца». Эта премия помогла тогда хоть немного улучшить тяжелое материальное положение семьи Павловых.

23 апреля 1890 г. Иван Петрович был избран на должность профессора фармакологии в Томском университете, а вслед за этим и в Варшавском. Но он не переехал ни в один из них, так как 24 апреля 1890 г. его избрали профессором в Военно-медицинской академии (ВМА) в Петербурге. За пять лет, что провел в этой должности Павлов, под его руководством в лаборатории было выполнено свыше двадцати научных работ и свыше восьмидесяти диссертантов с других кафедр стали докторами медицины с благословения и при поддержке Ивана Петровича.

В своей автобиографии И.П. Павлов об этих «отчаянных» годах своей жизни напишет скупо: «Вплоть до профессуры в 1890 году, уже женатому и имевшему сына, в денежном отношении постоянно приходилось очень туго, наконец, на 41-м году жизни я получил профессуру, получил собственную лабораторию... Таким образом, вдруг оказались и достаточные денежные средства, и широкая возможность делать в лаборатории, что хочешь».