Im Januar 1910 brachte Pankejeffs Arzt ihn nach Wien, um ihn bei Freud behandeln zu lassen. Pankejeff und Freud trafen sich zwischen Februar 1910 und Juli 1914 mehrmals und auch danach noch einige Male, darunter eine kurze Psychoanalyse im Jahr 1919. Zu Pankejeffs „nervösen Problemen“ gehörten seine Unfähigkeit, ohne Einlauf Stuhlgang zu haben, sowie eine lähmende Depression. Laut Freud wehrte sich Pankejeff zunächst dagegen, sich einer vollständigen Analyse zu unterziehen, bis Freud ihm eine Frist von einem Jahr für die Analyse setzte, was Pankejeff dazu veranlasste, seine Widerstände aufzugeben.

Freuds erste Veröffentlichung über den „Wolfsmenschen“ war „Aus der Geschichte einer infantilen Neurose“, die Ende 1914 geschrieben, aber erst 1918 veröffentlicht wurde. Im Mittelpunkt von Freuds Behandlung Pankejeffs stand ein Traum, den dieser als sehr kleines Kind hatte und den er Freud schilderte:

„Ich träumte, dass es Nacht war und dass ich im Bett lag (mein Bett stand mit dem Fuß zum Fenster; vor dem Fenster stand eine Reihe alter Walnussbäume). Ich weiß, dass es Winter war, als ich den Traum hatte, und dass es Nacht war.) Plötzlich öffnete sich das Fenster von selbst, und ich sah mit Schrecken, dass auf dem großen Walnussbaum vor dem Fenster einige weiße Wölfe saßen. Es waren sechs oder sieben von ihnen. Die Wölfe waren ganz weiß und sahen eher wie Füchse oder Schäferhunde aus, denn sie hatten große Schwänze wie Füchse und spitzten die Ohren wie Hunde, wenn sie auf etwas aufmerksam werden. In großer Angst, offensichtlich von den Wölfen gefressen zu werden, schrie ich und wachte auf. Meine Krankenschwester eilte zu meinem Bett, um zu sehen, was mit mir geschehen war. Es dauerte eine ganze Weile, bis ich davon überzeugt war, dass ich nur geträumt hatte, denn ich hatte das sich öffnende Fenster und die Wölfe, die auf dem Baum saßen, so deutlich und lebensecht vor Augen gehabt. Endlich wurde ich ruhiger, fühlte mich, als sei ich einer Gefahr entronnen, und schlief wieder ein.“ (Freud 1918)

Freuds letztendliche Analyse des Traums (zusammen mit Pankejeffs Beitrag) ergab, dass dieser Traum darauf zurückzuführen war, dass Pankejeff in sehr jungem Alter Zeuge einer „Urszene“ geworden war – seine Eltern hatten Sex a tergo oder more ferarum („von hinten“ oder „doggy style“) -. Später in der Abhandlung stellte Freud die Möglichkeit auf, dass Pankejeff stattdessen Zeuge einer Kopulation zwischen Tieren geworden war, die von seinen Eltern verdrängt wurde.

Pankejeffs Traum spielte eine wichtige Rolle in Freuds Theorie der psychosexuellen Entwicklung und war zusammen mit Irmas Injektion (Freuds eigener Traum, der die Traumanalyse einleitete) einer der wichtigsten Träume für die Entwicklung von Freuds Theorien. Darüber hinaus wurde Pankejeff zu einem der wichtigsten Fälle, die Freud zum Beweis der Gültigkeit der Psychoanalyse verwendete. Nach den „Notizen über einen Fall von Zwangsneurose“ von 1908 (auch bekannt unter dem tierischen Spitznamen „Rattenmensch“) war dies die dritte ausführliche Fallstudie, in der Freud sich nicht selbst analysierte und in der die wichtigsten Aspekte der Katharsis, des Unbewussten, der Sexualität und der Traumanalyse zusammengeführt wurden, die Freud in seinen Studien über Hysterie (1895), der Traumdeutung (1899) und den Drei Aufsätzen zur Theorie der Sexualität (1905) dargelegt hatte.