Условия для занятий в Харькове в то время были значительно хуже казанских. Аудитории, в которых занимались медики, не были приспособлены для демонстраций во время лекций, не было и такого тесного контакта профессоров со студентами. Однако и здесь работал ряд крупных представителей медицинской науки: хирург Грубе, патологоанатом Крылов, эмбриолог Стрельцов, терапевт Лашкевич, офтальмолог Гиршман. Наконец, кафедрой физиологии заведовал Иван Петрович Щелков. Кафедра существовала с 1835 года, но только с приходом сюда в 1863 году Ивана Петровича была создана при ней лаборатория, началась оживленная научная работа. Так что Данилевскому было где практиковаться. Науке Василий Яковлевич уже в те годы отдавал все свое свободное от учебы время. Уже на 2-м курсе он начинает самостоятельное исследование «Разложение азотистых веществ при мускульной деятельности», которое заканчивает в 1871 году, а через два года удостаивается за него же золотой медали. Он стал одним из всего четырех студентов, получивших золотые медали за свои научные работы за 12 лет — с 1864 по 1875 год. За годы учебы эта студенческая работа превратилась в солидную монографию «О происхождении мускульной деятельности».
Круг интересов Василия Яковлевича был довольно широк. Помимо статей о мышечной деятельности уже в студенческие годы он делал доклады о влиянии головного мозга на дыхание и кровообращение. Тогда же начинает заниматься гипнотизмом у животных. В своем учебнике, изданном в 1871–1874 годах, Щелков уже ссылался на работы своего ученика.
Студент Данилевский жил довольно скромно. Весь его личный доход в то время — это 20 рублей в месяц за работу «приспешником» гигиенической лаборатории профессора Якобия. Только в январе 1874 года Совет университета зачислил Василия Яковлевича на частную стипендию, а осенью того же года Данилевский окончил университет с отличием. Более года после выпуска Василий Яковлевич готовил диссертацию на тему «Исследования по физиологии головного мозга» и писал указанную выше монографию о мускульной деятельности. В тот же период выходит статья молодого ученого о физиологии центральной нервной системы. Темы, избранные Данилевским, относились тогда к самым смелым направлениям в медицине. Смелым, потому что, как уже было сказано, многие ревнители «великой божественной тайны» человека вовсе не хотели, чтобы мысли и чувства венца творения анализировались столь же грубо, физиологически, как рассматривается желудок лягушки. Мракобесы всех мастей ставили на пути исследователей центральной нервной системы человека и его мозга множество препятствий. Всего этого сполна хлебнул и Василий Данилевский.
В мае 1876 года он был принят стипендиатом в университет для подготовки к профессорскому званию и вернулся к фундаментальным исследованиям в области физиологии под руководством Щелкова. В феврале 1877 года бурно прошла защита диссертации Данилевского. Профессор Кучин довольно жестко раскритиковал физиологическое толкование диссертантом психической жизни. Эти нападки были логичным продолжением политики, которую группа профессоров вела по отношению к нелюбимому ими Щелкову. Молодой же Данилевский дал резкую отповедь гораздо более опытному медику, о чем впоследствии вспоминал с большим удовольствием. Его последующие выступления и постоянные стычки с идеалистами от медицины и просто оппонентами создали ему славу человека упрямого и порывистого.
Данилевского все-таки утвердили в степени доктора медицины. Во второй половине того же года молодой доктор работал практикующим врачом. В это время многие медики обслуживали раненых на русско-турецкой войне. Так и Данилевский устроился работать на санитарный поезд. В начале 1878 года Василий Яковлевич отправился в заграничную командировку. Год доктор пробыл в Вюрцбурге у А. Фика. Здесь Данилевский мог реализовать свое желание использовать точные методы физики и математики при изучении жизненных функций. Весной 1879 года Василий Яковлевич отправился в Лейпциг к Карлу Людвигу, которого называли учителем физиологии всего мира. (В частности, у него работали Сеченов, Фик и Щелков.) Под руководством Людвига с помощью сконструированной им аппаратуры Данилевский занимался суммированием электрических раздражений блуждающего нерва. Впрочем, Василий Яковлевич мечтал о большем — он хотел заниматься большими полушариями головного мозга, их влиянием на всю деятельность организма. По этому поводу у него возникли трения и с хорошо к нему относившимся немецким ученым. Карл Людвиг запрещал у себя в лабораториях заниматься исследованиями мозга, поскольку считал, что еще не придумано достаточно тонких приборов для выполнения такой задачи. Это, правда, не спасало корифея науки от нападок немецких обскурантов, которые в достижениях физиологов видели богопротивное дело. Лаборатории ученых-медиков в газетах называли «камерами пыток».