17-летний юноша с увлечением начинает изучение физиологии под руководством Ф.В. Овсянникова, который большое внимание уделяет и занятиям по гистологии. Одновременно он посещает лекции Сеченова в Медико-хирургической Академии. С первой лекции, увлекшись живой речью отца физиологии, он решает перейти в Медико-хирургическую Академию, но встречает сопротивление со стороны своего отца. Впрочем, пребывание Тарханова в университете было непродолжительным; из-за политического выступления 9 апреля 1864 года Тарханов вынужден оставить университет. Исключение из университета без права поступления в другие русские университеты за то, что он, «состоя в числе вольнослушателей, неоднократно нарушал во время нахождения в здании университета правила, установленные для этих лиц». Ввиду молодости, возможно и княжеского титула, официально значилось, что Тарханов уволен за неуплату, и ему было разрешено остаться в Петербурге и поступить в Медико-хирургическую академию, к чему так стремился и сам Тарханов, увлекшись лекциями Сеченова.
19 августа он подает прошение о зачислении его в число студентов Медико-хирургической академии и с 19 сентября слушает лекции, затем начинает работать в лаборатории И.М. Сеченова. Отец физиологии обращает внимание на хорошо подготовленного студента и допускает его к проведению самостоятельных работ. Тарханов-студент выступает с докладом на 1-м съезде естествоиспытателей «О механизме координации движений в акте ползания и искания» (1868). Эта работа напечатана в трудах съезда и в «Медицинском вестнике» под заглавием «Исследование механизма ко-ординациидвиженийвактеходьбыискачковулягушки». В 1869 году Тарханов, уже заканчивая блестяще Академию, печатает еще четыре работы. 3 октября 1870 года Тарханов сдает экзамены на степень доктора медицины, а 2 июня 1871 года защищает диссертацию, после чего едет в отпуск в Тифлис, чтобы устроить семейные дела после смерти своего отца.
Окончив Военно-медицинскую академию, Тарханов по конкурсу попал с 1 января 1871 года в Институт врачей, возглавляемый профессором И.Т. Глебовым, который был организован для подготовки врачей к научной работе. Незадолго до этого И.М. Сеченов, оскорбленный тем, что не проходит кандидатура И.И. Мечникова, выдвинутая им на кафедру зоологии, покидает Военно-медицинскую академию и уезжает в 1870 году в Одессу. Уход с кафедры Сеченова был для Тарханова большой утратой. Заместитель Сеченова, Заворыкин, из-за которого, собственно, Сеченов и ушел, не в состоянии, будучи гистологом, руководить физиологическими работами.
Тарханов, естественно, не мог как ученик Сеченова пользоваться симпатией Заворыкина В 1872 году кафедра физиологии, временно занимаемая Заворыкиным, передается И.Ф. Циону. В лаборатории Циона Тарханов в 1873 году выполняет две работы. Цион оценил способности Тарханова и представил его к заграничной командировке на два года, с 1 июня 1873 по 1 сентября 1875 года. За этот сравнительно короткий промежуток времени Тарханов, готовясь к профессорской деятельности, посетил почти все столицы Европы, знакомясь с постановкой учебного процесса, системами преподавания, устройством различных лабораторий, имевших соприкосновение с физиологией Он побывал в Вене, Берлине, Лондоне, Оксфорде, Брюсселе, Женеве, Цюрихе, Турине; работал в Страсбурге и Париже. В Страсбурге в то время кафедрами заведовали такие крупные ученые, как Э.Ф. Гоппе-Зейлер, Ф Л. Гольц и Ф Реклингаузен. В Париже он бывал только в своей комнате, в которой спал, и в лаборатории, в которой работал; это позволило ему опубликовать 11 работ по общей биологии, гистологии, физиологии крови, лимфы, блуждающего нерва. Кроме лаборатории и лекций К Бернара он посещал лекции Шарко.
Работа о лейкоцитах в крови сосудов селезенки напечатана в 5 журналах, некоторые — в трудах институтов. Все эти работы создали громкую славу молодому ученому. На мемориальной доске учеников Бернара имя Тарханова занимает одно из первых мест. Вернувшись в Россию, Тарханов представляет администрации Военно-медицинской академии выполненные в период командировки 15 работ и получает 29 ноября 1875 года звание приват-доцента физиологии. 2 мая 1877 года Тарханов был утвержден в качестве экстраординарного профессора. В 1879 году появляется его монография «О психомоторных центрах и развитии их у человека и животных». В том же году он переводит «Технический учебник гистологии» Ранвье и тогда же выходит его статья «О применении телефона в животном электричестве». Под его редакцией переводится «Общая мышечная и нервная физиология» И. Розенталя, а также «Опыты над естественным сном животных». С 1878 по 1883 год Тарханов читает лекции по физиологии врачам ветеринарного факультета Военно-медицинской академии.
Профессор Тарханов тесно дружил с С.П. Боткиным, его сыном С.С. Боткиным, который был учеником, а затем сослуживцем Тарханова, А.А. Остроумовым — основоположником передовой клинической мысли, Бородиным — химиком и композитором, И. Е. Репиным — великим русским художником, семьей Антокольских, Чеховым, Горьким, Стаховым, Менделеевым, Бехтеревым, Павловым. Тарханов был женат на Е. П. Антокольской, скульпторе по профессии.
Профессора И Ф. Циона студенты не приняли, и он уехал за границу, где вскоре оставил физиологию и занялся коммерцией После ухода Циона и назначения на кафедру в 1876–1877 годах приват-доцентом Тарханова место его ассистента было предложено И.П. Павлову, который демонстративно отказался, хотя сам ранее на это место претендовал. Академик П.К. Анохин объясняет это личными соображениями: Тарханов не импонировал Павлову как научный руководитель. Горячая натура Тарханова с его кавказским темпераментом не забудет чувства обиды, нанесенное демонстративным отказом Павлова от занятия места ассистента.
В 1883 году Иван Рамазович являлся оппонентом при защите И.П. Павловым диссертации на тему «Центробежные нервы сердца». В освещении хода защиты диссертации на страницах «Международной клиники» (1883, № 10) отмечается, что Тарханов сделал много серьезных возражений диссертанту; диспут продолжался полтора часа. Главные возражения были в отношении «небрежного отношения» к литературе вопроса (в своей диссертации Павлов не указал работ Тарханова в отношении иннервации сосудов). «Читающий получит впечатление, что до вас ничего не сделано», — говорит Тарханов и продолжает далее: «…скромность в ученом — высшее качество», «способы исследования, употребленные автором, крайне примитивны»… Полным диссонансом с этой оценкой звучал отзыв доктора Соколова, который на замечание Павлова о скудности лабораторных средств для выполнения данной работы возразил, что, напротив, богата та лаборатория, из которой выходят такие труды, каков труд автора. Диссертант, полный еще воинственного возбуждения, по дороге домой потрясал в воздухе руками, громко говорил идущему с ним Каменскому: «Ну, конечно, он не прав. Он же не понял дела. Нет, ему в самом деле досадно, вот он и придирается».
По словам П.К. Анохина, Тарханов отнесся к диссертанту чрезвычайно строго: «…неприязнь чувствовалась в каждом возражении; врачи, присутствовавшие на защите, которым Павлов помогал при выполнении диссертаций, старались успокоить своего любимца тем, что сочли придирки Тарханова завистью».
Инцидент не был исчерпан. Павлов послал три работы для представления на конкурс на премию имени митрополита Макария: «Блуждающий нерв как регулятор общего кровяного давления» и две работы «О центробежных нервах сердца», одна из них — диссертационная. Тарханов, по словам Анохина, «тщательно проработал труды Павлова и дал отрицательный отзыв, вследствие чего Павлов никакой премии не получил». Возможно, что в этом поступке Тарханова сыграло роль неупоминание Павловым работ самого Тарханова. В дальнейшем между ними восстановились хорошие отношения. В 1890 году, когда выставлялась кандидатура Павлова на кафедру фармакологии, профессор химии Соколов подает отвод, считая, что физиолог не должен быть избираем профессором на кафедру фармакологии. Защитником Павлова, помимо Манассеина и Пашутина, выступает Тарханов. В дальнейшем Тарханов принимает участие в «павловских средах», встречается с Павловым на заседаниях Общества русских врачей в Петербурге, их участие в прениях не носит следов неприязни. В 1895 году, в день двадцатипятилетнего юбилея Тарханова, Павлов вместе с Ненцким поздравляют юбиляра от имени Института экспериментальной медицины.