Одновременно с 1910 года она состояла на службе в городской Петропавловской больнице, в том же году стала членом Общества русских врачей в Санкт-Петербурге.
С января 1912 года М. К. Петрова стала работать у И. П. Павлова в физиологической лаборатории Военно-медицинской академии. В 1914 году защитила диссертацию на степень доктора медицины. Тогда же перешла в ПЭМ, всецело посвятив свою жизнь научным исследованиям в области физиологии под руководством Ивана Петровича.
В 1935 году она была избрана заведующей кафедрой физиологии и патофизиологии высшей нервной деятельности Ленинградского института для усовершенствования врачей (ГИДУВ), оставаясь на этом посту до 1941 года.
В 1936 году, после смерти Павлова, исследовательская деятельность Марии Капитоновны сосредоточилась, по предложению Л. А. Орбели, в Физиологическом институте АН СССР, где она и проработала до конца своих дней.
Умерла М. К. Петрова 14 мая 1948 года, похоронена, как и И. П. Павлов, на Литераторских мостках Волкова кладбища.
Еще при жизни Ивана Петровича у Марии Капитоновны зародилась мысль оставить о нем и его окружении подробные воспоминания.
Толчком к тому послужила книга А. М. Евлахова о Л. Н. Толстом. «Ее я прочитала в Колтушах вместе с Иваном Петровичем, – писала позже сама Мария Капитоновна, – и она поразила меня своим контрастом между обоими гениальными людьми – Л. Н. Толстым и И. П. Павловым. Л. Н. Толстой был гениальный художник, в юности мечтавший о славе, не любивший Шекспира и даже враждебно к нему относившийся, мало уделявший внимания своей семье. Иван Петрович Павлов, гениальный мыслитель (абсолютно не художник), о личной славе никогда не мечтал, он хотел только своими трудами ученого способствовать благу человека, благу горячо любимой родины. Шекспир же был его любимым писателем. Он был очень внимателен и заботлив к своей семье. Мне тогда уже хотелось написать всю правду об этом удивительном человеке, страстно преданном своему делу, больше всего в жизни любившем свою науку, свою физиологию» (Петрова М. К. Из воспоминаний // И. П. Павлов в воспоминаниях современников. Л., 1967. – С. 176).
И вот теперь, взяв в руки настоящую книгу, читатель может подробно познакомиться с уникальнейшими материалами, которых не коснулась рука цензора, оригинальным текстом воспоминаний без каких бы то ни было купюр. Эти материалы свидетельствуют о том, какой Мария Капитоновна видела обстановку, в которой проходили многие известные события научной физиологической жизни, каким представал в этой ситуации Иван Петрович, о его восприятии, реакциях, поведении в разных условиях и в разные периоды жизни, об отношении к людям, привычках, оценках происходящих событий.
Уместно обратиться к истории рукописи, о которой идет речь, рукописи, которая полностью нигде, никогда, никем не публиковалась да и фактически долгое время была просто недоступной, даже профессионалам. Рукопись свою М. К. Петрова назвала «Воспоминания об академике И. П. Павлове (моя исповедь)». «Воспоминания» были начаты спустя четыре месяца после кончины И. П. Павлова, в июле 1936 года, и закончены в сентябре 1945 года уже после войны, пережив вместе с Марией Капитоновной все тяготы 900-дневной ленинградской блокады. За год до смерти, в 1947 году, Мария Капитоновна передала семь толстых рукописных тетрадей вместе с машинописной копией в рукописный отдел Государственной публичной библиотеки им. М. Е. Салтыкова-Щедрина в Ленинграде на посмертное хранение.
