После успешного окончания гимназии в возрасте 16,5 лет он поступает в Медико-хирургическую академию в Петербурге. «Еще будучи студентом, – писал он в своей «Автобиографии», – и начав заниматься по нервным и душевным болезням, я должен был убедиться в том, что анатомо-физиологическая база этой важнейшей отрасли медицины до чрезвычайности не разработана и что учение о нервно-психических болезнях не может осуществляться без выяснения вопросов, связанных со строением и функцией мозга». В 70-е годы XIX века о нервной системе существовало мнение, что «ее строение темно, функции темны». Желание пробить брешь в этой темноте, пролить в нее какой-нибудь свет» стало задачей, которую В. М. Бехтерев поставил перед собой в студенческие годы и посвятил всего себя этому делу.
С самого начала своей деятельности он занимается, наряду с клиникой, изучением мозга и разработкой вопросов, связанных с его строением и функциями.
Поражает огромная трудоспособность, необычайно широкий кругозор В. М. Бехтерева. Он создал многотомные труды по анатомии, гистологии нервной системе, экспериментальной физиологии, педагогике, основал рефлексологию, в центре его внимания вопросы развития мозга, интеллекта, формирования человеческой личность. 600 – поистине фантастическая цифра книг и статей, написанных ученым. В. М. Бехтерев являлся организатором многих врачебных обществ, журналов, воспитал сотни специалистов, причем различных направлений – нейроморфологии и нейрофизиологии, неврологии и психологии, психиатрии и нейрохирургии. Он – создатель в 1907 году Психоневрологического института, состоящего из 15 научных и лечебных учреждений; учебных курсов, преобразованных в 1915 году во 2-й Петроградский университет, число студентов в нем было свыше 7 тыс. человек. Благодаря его кипучей энергии в Петрограде возникли уже после Октябрьского переворота Институт по изучению мозга и психической деятельности, Государственный институт медицинских знаний, Психоневрологическая академия.
Первыми публикациями студента Владимира Бехтерева были корреспонденции с фронта в 1877 году в петербургской газете «Северной вестник». Участвуя в Русско-турецкой войне в качестве врача «летучего» медицинского отряда, он оказывал помощь раненым во время перехода русских войск через Дунай и в ожесточенных боях за крепость Плевну. За это был награжден боевой медалью.
В 1878 году после окончания Медико-хирургической академии за успехи в учебе получил премию им. Иванова и был зачислен в «Профессорский» институт при академии, занимающийся подготовкой преподавателей. 20 марта 1883 года В. М. Бехтерева наградили серебряной медалью Общества русских врачей за работу «О вынужденных и насильственных движениях при разрушении некоторых частей центральной нервной системы». В тот период он уже не только защитил диссертацию на степень доктора медицины, но стал приват-доцентом по кафедре душевных и нервных болезней Военно-медицинской академии (в соответствии с указом Александра III Медико-хирургическая академия была преобразована в Военно-мединскую академию – ВМА).
Ученый совет Военно-медицинской академии направляет В. М. Бехтерева в двухгодичную командировку для совершенствования знаний», так как он прошел по конкурсу, объявленному конференцией Военномедицинской академии. И. М. Балинский, отзывался о нем как об очень способном и трудолюбивом молодом ученом: «…его плодотворность поразительна, он приходит быстро к выводам весьма смелым и решительным. Быть может, со временем не все его заключения оправдаются, но, во всяком случае, он встал твердою ногою на почву анатомо-физиологическую – единственную, от которой следует ожидать дальнейших успехов в науке о нервных и душевных болезнях».
Подобно многим российским врачам, которые ехали за границу не только знакомиться с методами их западных коллег, но и применять их у себя в своем Отечестве, В. М. Бехтерев активно работал в клиниках и неврологических лабораториях Вены, Берлина, Лейпцига, Парижа. У основателя невропатологии Жана Шарко учился новейшим методам лечения больных, в клинике которого изучались клинические признаки и патологическая морфология болезней нервной системы. В Вене В. М. Бехтерева заинтересовали исследования анатома и невролога Т. Мейнерта, в Берлине он знакомится с неврологической клиникой К. Вестфаля.
По возвращении на родину В. М. Бехтерев принимает предложение возглавить кафедру психологии в Казанском университете, но ставит условие – организацию при кафедре психофизиологической лаборатории, в которой ученый мог бы проводить научные исследования. В Казанском университете он получил звание профессора, проработав там 8 лет (1885–1893). Об этом времени он вспоминал с большой теплотой: «годы, проведенные мною в Казанском университете, послужили мне большую службу и в научном отношении…»