En janvier 1910, le médecin de Pankejeff l’emmène à Vienne pour suivre un traitement avec Freud. Pankejeff et Freud se rencontrent à plusieurs reprises entre février 1910 et juillet 1914, et quelques fois par la suite, dont une brève psychanalyse en 1919. Les « problèmes nerveux » de Pankejeff comprenaient son incapacité à aller à la selle sans l’aide d’un lavement, ainsi qu’une dépression débilitante. Au départ, selon Freud, Pankejeff a résisté à l’ouverture à une analyse complète, jusqu’à ce que Freud lui donne un délai d’un an pour l’analyse, ce qui a incité Pankejeff à abandonner ses résistances.

La première publication de Freud sur l' »Homme aux loups » fut « De l’histoire d’une névrose infantile » (Aus der Geschichte einer infantilen Neurose), écrite à la fin de 1914, mais pas publiée avant 1918. Le traitement de Pankejeff par Freud était centré sur un rêve que ce dernier avait fait alors qu’il était un très jeune enfant et qu’il décrivit à Freud :

 » J’ai rêvé que c’était la nuit et que j’étais couché dans mon lit. (Mon lit se tenait avec le pied vers la fenêtre ; devant la fenêtre il y avait une rangée de vieux noyers. Je sais que c’était l’hiver quand j’ai fait ce rêve, et la nuit). Soudain, la fenêtre s’est ouverte d’elle-même, et j’ai vu avec terreur que des loups blancs étaient assis sur le gros noyer devant la fenêtre. Ils étaient six ou sept. Les loups étaient tout blancs et ressemblaient plutôt à des renards ou à des chiens de berger, car ils avaient de grandes queues comme les renards et ils avaient les oreilles dressées comme les chiens quand ils font attention à quelque chose. Terrorisée par la crainte d’être dévorée par les loups, je criai et me réveillai. Mon infirmière s’est précipitée vers mon lit, pour voir ce qui m’était arrivé. Il me fallut un long moment pour me convaincre que ce n’était qu’un rêve ; j’avais eu une image si claire et si réaliste de la fenêtre qui s’ouvrait et des loups assis sur l’arbre. Enfin, je devins plus calme, j’eus l’impression d’avoir échappé à quelque danger et je me rendormis. » (Freud 1918)

L’analyse finale du rêve par Freud (avec la contribution de Pankejeff) était qu’il était le résultat du fait que Pankejeff avait été témoin d’une « scène primitive » – ses parents faisant l’amour a tergo ou more ferarum (« par derrière » ou « en levrette ») – à un très jeune âge. Plus tard dans l’article, Freud a posé la possibilité que Pankejeff avait plutôt été témoin de la copulation entre animaux, ce qui était déplacé à ses parents.

Le rêve de Pankejeff a joué un rôle majeur dans la théorie du développement psychosexuel de Freud, et avec l’injection d’Irma (le propre rêve de Freud, qui a lancé l’analyse des rêves), il a été l’un des rêves les plus importants pour les développements des théories de Freud. De plus, Pankejeff est devenu l’un des principaux cas utilisés par Freud pour prouver la validité de la psychanalyse. Il s’agissait de la troisième étude de cas détaillée, après les « Notes sur un cas de névrose obsessionnelle » en 1908 (également connu sous son surnom animalier « l’homme aux rats »), dans laquelle Freud ne s’analysait pas lui-même, et qui rassemblait les principaux aspects de la catharsis, de l’inconscient, de la sexualité et de l’analyse des rêves mis en avant par Freud dans ses Études sur l’hystérie (1895), L’interprétation des rêves (1899) et ses Trois essais sur la théorie de la sexualité (1905).