В течение двух лет Павлов работал в лабораториях этих двух выдающихся физиологов. За этот, казалось бы, небольшой срок он значительно расширил и углубил свои знания не только по интересовавшим его вопросам физиологии кровообращения и пищеварения, но и по другим областям физиологической науки. Заграничная поездка обогатила Павлова новыми идеями, отточила и усовершенствовала его незаурядное мастерство экспериментатора. Он установил личные контакты с видными деятелями зарубежной науки, обсуждал с ними всевозможные актуальные физиологические проблемы. До глубокой старости Павлов с большой теплотой вспоминал о Р. Гейденгайне и К. Людвиге, о своей работе в их лабораториях. «Заграничное путешествие,— писал он в «Автобиографии»,— дорого было для меня главным образом тем, что познакомило меня с типом ученых работников, каковы Гейденгайн и Людвиг, всю жизнь, все радости и горе ее положивших в науке и ни в чем другом».

Возвратившись на родину с солидным научным багажом, Павлов с новой силой и энтузиазмом продолжил исследования в убогой лаборатории при клинике Боткина. Но случилось так, что Павлов мог лишиться возможности работы и в этой лаборатории. Вот что писал об этом эпизоде профессор Н. Я. Чистович, который в свое время работал в руководимой Павловым лаборатории при клинике Боткина: «Возвратившись из заграничной командировки, Иван Петрович имел льготный год оставления при академии. Год прошел, а пристроиться при академии Ивану Петровичу не удалось. У С. П. Боткина при кафедре не было вакантного места, а было таковое у профессора В. А. Монассеина, и нужно было пойти к Монассеину и попросить его об этом месте. Мы дружно насели на Ивана Петровича, чтобы он сделал этот шаг, но он упорно отказывался, находя, что это неловко. Наконец, мы его уломали, и он пошел, но, не дойдя до кабинета Монассеина, свернул домой. Тогда уж мы приняли более энергичные меры, уговорили его пойти снова и послали служителя Тимофея присмотреть за ним, чтобы он снова не свернул с дороги». Проф. Монассеин любезно согласился зачислить Павлова на вакантное место при своей клинике и тем самым предоставить ему возможность продолжать работу в лаборатории при клинике Боткина.

Работы было много. Павлов не только разрабатывал новые методики и модели физиологических экспериментов, которые ставились в лаборатории как им самим, так и руководимыми им молодыми врачами, оперировал подопытных животных и выхаживал их, но и сам изобретал и изготавливал новую аппаратуру. В. В. Кудревецкий, работавший в ту пору вместе с Павловым, вспоминает, Иван Петрович сделал из жестяных консервных коробок термостат, прикрепил его к железному штативу и подогревал маленькой керосиновой лампой. Сотрудники лаборатории были заражены энтузиазмом руководителя, его преданностью науке, готовностью к самопожертвованию) во имя любимого дела. И не удивительно, что в итоге даже в таких непригодных для исследований условиях были получены поразительные научные результаты. По возвращении из-за границы Павлов начал читать лекции по физиологии в Военно-медицинской академии (так была переименована Военно-хирургическая академия в 1881 г.), а также врачам клинического военного госпиталя. К этому периоду относится разработка им новой оригинальной методики изготовления так называемого сердечно-легочного препарата (изоляции сердца и легких от общего круга кровообращения для экспериментального изучения многих специальных научных и практических вопросов физиологии кровообращения, а также фармакологии). Павлов заложил крепкий фундамент своих будущих исследований физиологии пищеварения: он обнаружил нервы, регулирующие секреторную деятельность поджелудочной железы, и осуществил свой поистине классический опыт с мнимым кормлением.

О результатах своих исследований Павлов регулярно сообщал на страницах отечественных и зарубежных научных журналов, на заседании физиологической секции Общества естествоиспытателей С.-Петербурга и на съездах этого общества. Вскоре его имя стало широко известным в России и за границей.

Радость, доставляемая творческими успехами и их высокой оценкой, постоянно отравлялась тяжелыми материальными условиями существования. Беспомощность Ивана Петровича в житейских делах и материальные лишения особенно остро стали ощущаться после его женитьбы в 1881 г. О подробностях этого периода жизни Павлова известно мало. В «Автобиографии» о невзгодах тех лет говорится кратко: «Вплоть до профессуры в 1890 г. уже женатому и имевшему сына в денежном отношении постоянно приходилось очень туго» ".

В конце 70-х годов в Петербурге Павлов познакомился с Серафимой Васильевной Карчевской, слушательницей Педагогических курсов. Ивана Петровича и Серафиму Васильевну объединяла общность духовных интересов, близость взглядов по многим актуальным в то время вопросам жизни, верность идеалам служения народу, борьбы за социальный прогресс, которыми была насыщена передовая русская художественная и публицистическая литература тех времен. Они полюбили друг друга.

В молодости Серафима Васильевна, судя по фотографиям того периода, была очень красивой. Следы былой красоты сохранились на ее лице даже в глубокой старости. Иван Петрович также обладал весьма приятной внешностью. Об этом свидетельствуют не только фотографии, но и воспоминания Серафимы Васильевны. «Иван Петрович был хорошего роста, хорошо сложен, ловок, подвижен, очень силен, любил говорить и говорил горячо, образно и весело. В разговоре сказывалась та скрытая духовная сила, которая всю жизнь поддерживала его в работе и обаянию которой невольно подчинялись все его сотрудники и приятели. У него были русые кудри, длинная русая борода, румяное лицо, ясные голубые глаза, красные губы с совершенно детской улыбкой и чудесные зубы. Особенно нравились мне умные глаза и кудри, обрамлявшие большой открытый лоб».

Любовь на первых порах целиком поглотила Ивана Петровича. По свидетельству брата, Дмитрия Петровича, молодой ученый некоторое время больше был занят сочинением писем к любимой девушке, чем лабораторными делами.

Спустя некоторое время опьяненные от счастья молодые люди решили пожениться, несмотря на то, что родители Павлова были против этого, так как намеривались женить своего первенца на дочери состоятельного Петербургского чиновника, на девушке с весьма богатым приданым. Для венчания они направились в Ростов-на-Дону к сестре Серафимы Васильевны с намерением сыграть свадьбу в ее доме. Все расходы на свадьбу взяли на себя родственники невесты. «Оказалось,— вспоминала Серафима Васильевна,— что Иван Петрович не только не привез денег на свадьбу, но и не позаботился о деньгах на обратный путь в Петербург».

По возвращении в Петербург молодожены вынуждены были некоторое время жить у Дмитрия Петровича, который работал ассистентом у знаменитого русского химика Д. И. Менделеева и имел казенную квартиру. Серафима Васильевна вспоминала: «Когда после дачного житья мы вернулись в Петербург, у нас не оказалось совершенно никаких денег. И если бы не квартира Дмитрия Петровича, то буквально некуда было бы преклонить голову». Из воспоминаний явствует, что молодоженам в тот период жизни недоставало денег, чтобы «купить мебель, кухонную, столовую и чайную посуду, да и белья для Ивана Петровича, так как у него не было даже летней рубашки».