В царское время о подобной заботе Павлов не мог и мечтать. Изучение биографии этого гениального человека опровергает несправедливые обвинения о том, что высоким положением он обязан материалистической основе своего учения, якобы служившего опорой для атеизма. Тем, кто близко знал Павлова, более справедливыми представляются слова английского ученого Джона Баркрофта: «По мере того как культура отбрасывает сверхъестественное, она начинает все более и более считать человека наивысшим предметом человеческого познания, а природу его умственной деятельности и ее плоды — предметами наивысшей фазы науки о человеке».
Иван Петрович Павлов (1849–1936 годы) происходил из семьи бедного священника одного из захудалых приходов Рязани. По словам ученого, родители приучали его к невзыскательной жизни, но предоставили возможность получить высшее образование. Вследствие тяжелой травмы мальчик несколько лет не посещал школу, хотя уже знал азбуку. В это время он подолгу жил в Троицком монастыре, пользуясь расположением настоятеля. Чистый воздух, хорошее питание, гимнастические занятия быстро вернули здоровье. К осени 1860 года Иван достаточно окреп, чтобы поступить в Рязанское духовное училище сразу во второй класс. Через 4 года он был принят в духовную семинарию, видимо избрав религию по настоянию родителей, так как дети священников получали в семинариях существенные льготы. Усердно штудируя Библейские заповеди, на досуге изучал труды мыслителей-шестидесятников, но особенно увлекался сочинениями Сеченова, в частности монографией «Рефлексы головного мозга».
После окончания шестого класса Иван неожиданно отказался от духовной карьеры, объявив о намерении поступить в университет. В 1870 году бывший семинарист приехал в Петербург и подал прошение о принятии на естественное отделение физико-математического факультета. Однако неважное знание точных наук ограничивало выбор юридическими дисциплинами, но Павлов изучал право только 17 дней. По особому позволению ректора его перевели на естественное отделение физико-математического факультета. Первый год обучения был крайне тяжелым из-за отсутствия средств. Не имея денег на оплату учебы, юноша подал прошение об освобождении от оплаты лекций и вновь получил согласие ректора.
Начиная со второго курса благотворительность уже не требовалась. Павлову назначили обычную стипендию 180 рублей, а спустя год успехи в учебе были отмечены императорской стипендией, составлявшей огромную сумму в 300 рублей ежегодно. Сын рязанского священника учился весьма успешно, чем привлекал к себе внимание профессоров. «Это было время блестящего состояния факультета, — позже записал ученый в дневнике, — нас учили профессора с огромным научным авторитетом и выдающимся лекторским талантом». На естественном отделении физико-математического факультета преподавали действительно выдающиеся личности своего времени: химики Д. Менделеев и А. Бутлеров, ботаник И. Бородин и физиолог Ф. Овсянников. Физиология привлекла молодого человека на третьем курсе. Выбор в пользу бурно развивающейся науки был сделан под влиянием профессора И. Ф. Циона, ученика знаменитого немецкого физиолога К. Людвига. Талантливый ученый, экспериментатор, прекрасный лектор увлекал слушателей «мастерски простым изложением самых сложных физиологических вопросов и его поистине артистической способностью ставить опыты».
Будучи юным, восторженным студентом, Павлов не мог разобраться в противоречивой личности Циона. Обладая немалыми достоинствами ученого, преподаватель отличался скверным характером и крайне реакционными взглядами. Последнее сыграло решающую роль в его разрыве с научным миром. Даже получив рекомендацию Сеченова, предложившего молодому коллеге возглавить кафедру физиологии Медико-хирургической академии, Цион не смог удержаться от резкой критики прогрессивных теорий знаменитого физиолога. Подчиненные были недовольны его личными качествами: непомерным тщеславием, карьеризмом, тягой к деньгам. Высокомерное отношение к коллегам и пренебрежение к обязанностям позже послужило причиной серьезных конфликтов. В результате Цион вынужденно покинул сначала академию, а затем уехал из России. Тем не менее Павлов всю жизнь с теплотой вспоминал об учителе, выражая благодарность человеку, которому обязан свой страстью к науке.
Начало исследовательской деятельности Ивана Павлова относится к университетским годам. Студентом четвертого курса он занимался изучением нервной системы лягушки под руководством Ф. В. Овсянникова. Совместно с Ционом изучал влияние гортанных нервов на кровообращение. В 1873 году совместно с однокурсником В. Великим выполнил первую научную работу, представив ее членам Петербургского общества естествоиспытателей. После успешной защиты юноша регулярно посещал заседания общества, общаясь с прославленными учеными Сеченовым, Овсянниковым, Тархановым.