У 1878 році найбільший російський терапевт, проф. С. П. Боткін, запросив Павлова, тоді ще студента п'ятого курсу, завідувати лабораторією в академічній клініці внутрішніх хвороб.
Після закінчення курсу академії у грудні 1879 року Іван Петрович взяв участь у конкурсі на залишення при академії на три роки для удосконалення.
Конференція академії визнала гідними залишення 7 закінчили лікарів, але так як було лише дві вакансії, Іван Петрович зміг бути залишений при академії тільки після звільнення вакансії в червні 1880 року, а до тієї пори був прикомандирований до клінічного військового госпіталю при Військово-медичної академії.
Що стосується роботи Івана Петровича, то по суті все залишалося як і раніше: він продовжував завідувати тій же лабораторії в клініці С. П. Боткіна. Основним завданням цієї лабораторії було експериментальне вивчення дії різних лікарських речовин на тваринний організм. Таке вивчення було дуже важливо, тому що допомагало використання цих речовин у практичній лікарській діяльності.
І. П. Павлов ясно уявляв собі величезне значення фізіології для практичної медицини, але він також категорично вимагав перевірки теоретичних даних фізіології практикою. Навіть тоді, коли фізіологія (за його участі) ступнула далеко вперед, він писав: «Величезна допомога лікаря з боку фізіології можлива тільки при одному суворій умови, при постійній перевірці фізіологічних даних клінічним наглядом».
У клініці проф. С. П. Боткіна, у період перебування в ній В. П. Павлова, було виконано багато наукових робіт, і проф. Ст. А. Манассеин в 1890 році офіційно заявив (у відгуку про В. П. Павлове), що йому «позитивно відомо, що Павлов фактично керував усіма власне фармакологічними і фізіологічними роботами, що увійшли до дисертації, надруковані з клініки Боткіна».
У цій лабораторії при клініці В. П. Павлов пропрацював до 1890 року (з дворічною перервою - 1884-1886 рр.). Згадуючи про це часу, він писав через багато років: «Незважаючи на щось негативне, що було в цій клініці, головне, звичайно, убогість коштів, я вважаю, тут проведене, дуже корисним для мого наукового майбутнього. Перша справа - повна самостійність і потім можливість цілком віддатися лабораторного справі (у клініці я не мав ніяких обов'язків). Я працював тут, не розбираючи: що моє, що чуже. По місяцях і роках весь мій лабораторний працю йшов на участь в роботах інших. Але при цьому постійно була і особиста вигода: я все більше практикувався у фізіологічному мисленні в широкому сенсі слова і в лабораторній техніці». «Убогість засобів» лабораторії, про яку згадує Іван Петрович, призводила до того, що всяке тварина для досвіду купувалося самим дослідником, та такого ревному, енергійному працівнику, як І. П. Павлов, «в грошовому відношенні постійно доводилося туго. Але, - продовжує він, - завдяки товариської допомоги у всяких видах та захопленню фізіологією, не скажу, щоб це дуже затьмарювало моє життя». Один з лікарів, який працював у клініці Боткіна, згодом професор тієї ж клініки, Н. Я. Чистович згадував про те, як учні Івана Петровича, знаючи про його скрутному матеріальному становищі, вирішили йому допомогти. Вони запросили його прочитати їм курс лекцій «зібравши в складчину грошей, передали йому ніби на витрати по курсу. І нічого у нас не вийшло: він на всю суму накупив тварин для цього курсу, а собі нічого не залишив».
Керівництво роботою лікарів забирало в Івана Петровича багато часу, але, незважаючи на це, у роки, проведені в клініці Боткіна, він встиг виконати кілька важливих самостійних досліджень. У 1883 році він захистив дисертацію на тему «Відцентрові нерви серця» і отримав вчений ступінь доктора медицини. Ця робота є класичною. В ній вперше було встановлено, що діяльність серця регулюється двома парами нервів, з яких одна пара регулює частоту серцебиття (прискорюють і сповільнюють нерви), а інша, не впливаючи на частоту, - впливає на силу серцебиття (що зміцнюють і ослаблюють нерви). Для того, щоб виявити цей факт, була необхідна блискуча хірургічна техніка: треба було у живої, наркотизированной собаки розшукати і відпрепарувати найтонші нервові гілочки і дослідним шляхом довести їх різне фізіологічне значення.
