Затем Паллас продолжил образование в университетах Галле, Геттингена (Германия) и Лейдена (Голландия). Именно в Лейдене он защитил диссертацию «О врагах, живущих в теле животных». В ней молодой натуралист описал строение и образ жизни многочисленных видов паразитических червей. В диссертации и в последующих работах ему удалось даже исправить некоторые ошибки, допущенные знаменитым ученым-систематизатором Карлом Линнеем при построении класса червей.

Паллас направился в Англию, так как отец хотел, чтобы он осмотрел крупнейшие госпитали. Но Паллас использовал пребывание в Англии, в первую очередь, для знакомства с богатыми коллекциями, собранными английскими натуралистами. Также отец потребовал от сына поступить врачом в армию Пруссии. Однако вскоре, в 1763 году, закончилась Семилетняя война, которую Пруссия вела против коалиции государств; армия была сокращена, и для Палласа свободного места армейского врача не оказалось.

Несмотря на желание отца видеть сына практикующим врачом, молодой Паллас мечтал заниматься «натуральной историей». Под этим термином в то время понимали совокупность знаний о природе, то есть вопросы ботаники, зоологии, геологии, географии, включая проблемы систематики животного и растительного мира, его происхождения и развития.

За три года Паллас написал ряд значительных работ по зоологии, которые принесли ему европейскую известность. Его избрали в члены ряда отечественных и зарубежных научных обществ. Тем не менее в Берлине он не смог получить место преподавателя в университете или поступить на государственную службу, чтобы, получая там содержание, продолжить научную работу.

В 1766 году молодой ученый женился и теперь должен был заботиться о содержании семьи. В этот год он получил приглашение Академии наук в Петербурге принять участие в организуемых ею «физических экспедициях» по России в качестве профессора натуральной истории. Многие отговаривали Палласа от поездки в Россию, считая, что в этой стране он загубит свой талант ученого.

Первоначально Паллас отказался от предложения. В конце марта в Берлине состоялась встреча Палласа с профессором ботаники С. Г. Гмелином, который, как и Паллас, получил приглашение Академии наук и направлялся в Петербург. Беседы с ним окончательно развеяли все сомнения Палласа по поводу принятия приглашения Академии наук и поездки в Россию. Он понял, что обширные и малоисследованные просторы Российской империи позволят ему полностью реализовать свои планы и стремления по изучению природы.

Уже 22 апреля ученый написал в Петербург, в Академию наук, что согласен принять место профессора натуральной истории. В российскую столицу Паллас с женой прибыли 30 июля 1767 года, и через неделю он подписал контракт с руководством Академии наук, в котором значилось: господин доктор Паллас выписан ординарным членом и профессором натуральной истории с ежегодным жалованьем 800 рублев. В России он прожил 43 года, полностью посвятив себя изучению ее природы.

Паллас прибыл в Россию как раз в то время, когда в Академии наук полным ходом шла подготовка к проведению астрономических и «физических» (то есть комплексных географических) экспедиций. Непосредственный повод для посылки академических экспедиций в 1768 году дали астрономы, которые намеривались наблюдать 3 июня 1769 года прохождение Венеры через солнечный диск. Это редкое астрономическое событие происходит только дважды в столетие. А сопоставление соответствующих наблюдений, произведенных в разных точках земной поверхности, позволяло с особой точностью определить расстояние между Землей и Солнцем. Академия наук решила организовать астрономические экспедиции и в 1769 году, кроме Петербурга, наблюдать за прохождением Венеры в Якутске, на Кольском полуострове, в Гурьеве на побережье Каспия и в Оренбурге.

Решено было направить одновременно с астрономическими и «физические» отряды — экспедиции натуралистов для изучения природы различных районов России. Так получилось, что важнейшие результаты по изучению России добыли именно «физические» экспедиции.

К весне 1768 года организация всех экспедиционных отрядов была полностью определена. Шесть астрономических экспедиций отправились специально для наблюдения Венеры. Из пяти «физических» три экспедиции получили название Оренбургских, а две — Астраханских (по названию губерний, куда вначале они должны были направиться). Впоследствии маршруты этих отрядов пролегли по многим отдаленным районам России.

Паллас возглавил первый Оренбургский отряд, который считался основным в Оренбургской экспедиции. По существу, Паллас являлся и общим руководителем всех трех Оренбургских отрядов. Для всех пяти «физических» отрядов была составлена одна общая инструкция, определявшая задачи и содержание их работ.

Первые строки инструкции гласили: «Всем в разные посылки назначенным испытателям натуры, как тем, которым предписан путь вдоль по Волге, а потом по Оренбургской губернии и некоторой части Сибири, так и определенным в Астрахань и Малую Россию… всевозможнейше стараться изыскания свои согласовать точно с тем намерением, с которым оные экспедиции отправляются, то есть полагая единственным предметом пользу общую Государства и распространение наук». Инструкция требовала от руководителей отрядов так выбирать свой путь, чтобы «никакого места бесполезно не проехать» и чтобы «ничего важного просмотрено не было».

Важнейшей частью инструкции являлся перечень предметов, до которых «изыскания и наблюдения разъезжающих испытателей натуры касаться должны». Необходимо было описывать по пути следования экспедиций «естество земель и вод», состояние сельского хозяйства и промышленности, в частности рыболовства и охотничьих промыслов, населенных пунктов, эпидемиологическое состояние местностей, наличие полезных ископаемых, лекарственных трав.

Вслед за пунктами, определяющими главные цели работ, указывалось: «Сверх того, Академия надеется, что путешествующие прилежно примечать будут все, что может служить к объяснению общей и к поправлению частной географии, также погоды, тепло и стужу… описывать нравы, светские и духовные обряды, древние повести народов, обитающих в той стране, которую проезжать будут, причем примечать встречающиеся древности, осматривать развалины и остатки древних мест». Экспедициям предписывалось собирать зоологические, ботанические и минералогические коллекции, а также зарисовывать собранные экспонаты.

Экспедиции отправлялись на три-четыре года. В состав отряда, возглавляемого Далласом, вошли капитан Николай Петрович Рычков (должен был присоединиться к отряду уже в Оренбургской губернии, так как служил в Симбирске), окончивший в 1768 году Академическую гимназию Василий Федорович Зуев (будущий академик, профессор по натуральной истории), студенты Академического университета Никита Петрович Соколов (будущий академик, химик и минералог), Антон Вальтер, рисовальщик Николай Дмитриев, чучельник Павел Шумской и один стрелок-егерь.

21 июня 1768 года обоз отряда Палласа выехал из Петербурга. Он состоял из профессорской кареты, в которой ехал Паллас с женой, кибиток со студентами и другими членами отряда, подвод с научным оборудованием и личными вещами.

Паллас начал вести наблюдения уже в первый день пути. В Москве он встречался с известным историком академиком Г. Ф. Миллером, побывавшим в Сибири как участник экспедиции Беринга 1733–1743 годов. В беседах с ним Палласу удалось «довольно собрать полезных известий».

Из Москвы отряд направился в город Владимир. Паллас описал большую часть течения реки Клязьмы, обратив внимание на приподнятость обоих берегов реки под Владимиром, особенно к югу от него (Высокоречье). Из Владимира обоз проследовал к Касимову, а затем вдоль левого берега Оки — до Мурома. Паллас был первым натуралистом, изучившим Окско-Клязьминское междуречье.

Из Мурома Паллас ездил на железоделательный завод купца Баташева, расположенный в 25 верстах (около 27 километров) от города, и осмотрел места добычи железной руды. Он отметил уничтожение окрестных лесов на дрова для выплавки железа из руды, а также отсутствие каких-либо подпор и раскрепления стен неглубоких штолен при добыче руды, что нередко приводило к обвалу земли и гибели рудокопов.