Начало научной и практической деятельности Гамалеи связано с Одессой, куда он вернулся после окончания Военно-медицинской академии. Сотрудничая с Мечниковым, он организовал у себя на дому и на свои личные средства бактериологическую лабораторию. В 1886 г. он был командирован Обществом одесских врачей (важную роль сыграло, по-видимому, то, что в отличие от Мечникова Гамалея был врачом) в Париж для ознакомления с только что открытым Л. Пастером методом прививания против бешенства. Пребывание Гамалеи в Париже совпало с приездом нескольких групп укушенных бешеными волками русских крестьян: из Смоленской, Орловской и Владимирской губерний. Ухаживая за больными и участвуя в проведении прививок, ученый сделал вывод о важности как можно более быстрого прививания – не позднее 14 дней с момента укуса, пока вирус бешенства не начинает развиваться в центральной нервной системе. Этот вывод помог убедить Пастера в необходимости организовать специальные станции для проведения прививок и в других странах мира, не ограничиваясь, как первоначально рассчитывал Пастер, прививками в Париже. Первой из этих станций (позднее они получили название пастеровских) стала Одесская, возникшая после возвращения Гамалеи из Парижа в 1886 г. и первоначально размещавшаяся в его квартире.
В Париже благодаря дружескому расположению Пастера Гамалея смог ознакомиться и с различными приемами аттенуации (ослабления) бактерий сибирской язвы, что позволило по возвращении в Одессу создать собственные образцы сибиреязвенных прививок – независимо от монополизировавшего этот вид вакцинации французского Общества пастеровских вакцин. Это способствовало значительному расширению деятельности Одесской бактериологической станции: и земство, и отдельные сельские хозяева были чрезвычайно обеспокоены угрозой, которую сибирская язва представляла для местного скотоводства. Однако дружная работа Одесской станции – заведующего И.И. Мечникова, его заместителя Н.Ф. Гамалеи и врача Я.Ю. Бардаха – была уже летом 1888 г. прервана трагическим эпизодом: проведенные Бардахом прививки сибиреязвенной вакцины овцам помещика К.М. Панкеева привели к гибели нескольких тысяч животных, к попыткам самосуда пастухов над Бардахом и к многолетним судебным искам против заведующего станцией И.И. Мечникова. По странной и до сих пор непонятной причине, возможно, по оплошности Бардаха, вакцины оказались подменены образцами исходных, неослабленных культур сибирской язвы.
Непосредственная ответственность лежала на Бардахе, но ввиду отсутствия у него каких-либо значительных средств судебные претензии были предъявлены Мечникову как заведующему станцией. Последний считал это несправедливым, ибо отсутствовал в момент прививок в Одессе, и потому полагал, что финансовый иск следовало бы скорее адресовать Гамалее. Широко освещавшееся в газетах «Панкеевское дело» навсегда испортило отношения ученых. Оказавшись в 1888 г. вместе с Мечниковым в Пастеровском институте, в котором Гамалея работал над противохолерными прививками, он прямо столкнулся, как вспоминал позднее, с недоброжелательством бывшего учителя и коллеги, что, в свою очередь, отравило, по убеждению Гамалеи, его отношения с Пастером и сделало невозможным дальнейшее пребывание в пастеровском Институте.
