1878年至1890年，巴甫洛夫重點(diǎn)研究血液循環(huán)和神經(jīng)系統(tǒng)作用的問題，當(dāng)時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)對于許多器官的支配作用和調(diào)節(jié)作用還沒有被人們清楚地認(rèn)識。

在極為惡劣的工作條件下，巴甫洛夫堅(jiān)持研究。他發(fā)現(xiàn)了胰腺的分泌神經(jīng)。不久，他又發(fā)現(xiàn)了溫血動物的心臟有一種特殊的營養(yǎng)性神經(jīng)，這種神經(jīng)只能控制心跳的強(qiáng)弱，而不影響心跳的快慢。科學(xué)界人士把這種神經(jīng)就稱為“巴甫洛夫神經(jīng)”。巴甫洛夫自此開辟了生理學(xué)的一個(gè)新分支——神經(jīng)營養(yǎng)學(xué)。1883年寫成“心臟的傳出神經(jīng)支配”的博士論文。獲得帝國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，講師職務(wù)和金質(zhì)獎?wù)隆?884-1886年期間，赴德國萊比錫大學(xué)路德維希研究室進(jìn)修，繼續(xù)研究心臟搏動的影響機(jī)制。此時(shí)，他提出心臟跳動節(jié)奏與加速是由兩種不同的肌肉在進(jìn)行，而且是由兩種不同的神經(jīng)在控制。1886年，他自德國歸來后重回大學(xué)是實(shí)驗(yàn)室，繼續(xù)進(jìn)行狗的“心臟分離手術(shù)”。1887年，他逐漸將研究的方向轉(zhuǎn)向人體的消化系統(tǒng)。從1888年開始，巴甫洛夫?qū)ο磉M(jìn)行研究。他發(fā)明了新的實(shí)驗(yàn)方法，不是用被麻醉的動物做急性實(shí)驗(yàn)（每次實(shí)驗(yàn)完了，動物也就死掉了）而是用健康的動物做慢性實(shí)驗(yàn)，從而能夠長期觀察動物的正常生理過程。他還創(chuàng)造了多種外科手術(shù)，把外科手術(shù)引向整個(gè)消化系統(tǒng)，徹底搞清了神經(jīng)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)整個(gè)消化過程中的主導(dǎo)作用。他還發(fā)現(xiàn)分布在胃壁上的第十對腦神經(jīng)迷走神經(jīng)與胃液的分泌有關(guān)。用同樣的方法分泌胃液，迷走神經(jīng)切斷，就不再分泌。但如果不假飼，只刺激迷走神經(jīng)，也能分泌胃液。是什么東西對迷走神經(jīng)產(chǎn)生了刺激？原來味覺器官感受到了食物刺激，便會通過神經(jīng)傳給大腦，通過大腦傳給迷走神經(jīng)讓胃液分泌。這就是條件反射學(xué)說。為此他領(lǐng)取了“諾貝爾獎”的生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎。他是第一個(gè)享受的這個(gè)榮譽(yù)的俄國科學(xué)家。巴甫洛夫因在消化生理學(xué)方面的出色成果而榮獲1904年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎金，成為世界上第一個(gè)獲得諾貝爾獎的生理學(xué)家。從1903年起，巴甫洛夫連續(xù)30多年致力于高級神經(jīng)活動的研究。通過長時(shí)間的研究，他發(fā)現(xiàn)了大腦皮層機(jī)能的活動規(guī)律。巴甫洛夫創(chuàng)立的動物和人類高級神經(jīng)活動的學(xué)說，給唯心主義心理學(xué)以致命的打擊，為創(chuàng)立科學(xué)的唯物主義心理學(xué)奠定了基礎(chǔ)。晚年的巴甫洛夫轉(zhuǎn)向精神病學(xué)的研究，認(rèn)為人除了第一信號系統(tǒng)（即對外部世界直接影響的反應(yīng)）外，還有第二信號系統(tǒng)，即引起了人的高級神經(jīng)活動發(fā)生重大變化的語言。巴甫洛夫的第二信號系統(tǒng)學(xué)說解釋了人類所特有的思維生理基礎(chǔ)。十月革命的初期，俄國人民生活極端貧困但巴甫洛夫并未停止研究。巴甫洛夫是專心投入學(xué)術(shù)研究的典型學(xué)者，只專心研究，不注意衣食住行生活細(xì)節(jié)。他結(jié)婚時(shí)即同他妻子約定，妻子不干涉他的研究，他不負(fù)責(zé)家庭事務(wù)，并向妻子承諾，不飲酒、不打牌、不應(yīng)酬，每年9月至次年5月，每周工作7天，只有暑假陪妻子到鄉(xiāng)下度假。70歲以后，巴甫洛夫每天仍乘電車上班，有次電車尚未停穩(wěn)，就從車上跳下來，跌倒在地，路旁一位老婦人驚叫說：“天??！看這位天才科學(xué)家連電車都不會搭！”巴甫洛夫的工作熱忱一直維持到逝世為止，最后他在病中掙扎起床穿衣時(shí)，因體力不支倒在床上逝世。 巴甫洛夫逝世后，蘇聯(lián)政府在他的故鄉(xiāng)梁贊建造了巴甫洛夫紀(jì)念館，并設(shè)立紀(jì)念碑。 巴甫洛夫關(guān)于消化道的研究是首先把狗的食道經(jīng)過手術(shù)切斷，把切斷的食道兩端縫在狗脖子的皮膚上，然后讓狗餓上一天以后，把這只饑餓的狗拉到了實(shí)驗(yàn)室，在狗的面前放一盤鮮肉，狗一見鮮肉，便貪饞地吞了起來，咀嚼了幾下就咽下去了。可是不一會兒，咽下去的肉又掉到了食盤里，這是因?yàn)槭车酪驯磺袛?，肉根本進(jìn)不了胃里，狗依然貪婪地吃著，盤子里的肉始終是那么多。這只狗徒勞地吃了四五分鐘后，奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了，在通向狗胃的一根像皮管里流出了大量的胃液。胃液不斷分泌，是狗的第十對腦神經(jīng)——迷走神經(jīng)的沖動引起的。巴甫洛夫?qū)@只狗的迷走神經(jīng)也動過手術(shù)，已在上面引出一根絲線?，F(xiàn)只要他稍微提動一下絲線，就切斷了腦與胃之間的聯(lián)系。結(jié)果狗盡管還是在不斷地吞咽鮮肉，但胃液卻停止分泌了。這就是著名的“假飼”實(shí)驗(yàn)，它可以使人們觀察到狗的消化腺的分泌情況。在他的研究實(shí)驗(yàn)中，出現(xiàn)了一種奇怪的現(xiàn)象，即隨著時(shí)間的推移，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)狗只要一看見食物，唾液分泌量就增加，在實(shí)際吃到食物以前就已經(jīng)分泌唾液了，他把這種現(xiàn)象叫做“心因性分泌”。同事們?yōu)榇颂岢隽嗽诋?dāng)時(shí)的心理學(xué)界比較通行的“內(nèi)省法”來研究狗的唾液分泌現(xiàn)象（站在狗的立場思考），但這并沒有真正解決疑問。這種現(xiàn)象同時(shí)引起了巴甫洛夫的興趣，開始了他對條件作用的研究。他又給一條狗動了手術(shù)，在狗的腮幫子上開個(gè)小孔，用一根細(xì)細(xì)的導(dǎo)管安在它的一個(gè)唾液腺上。當(dāng)狗吃東西流唾液的時(shí)候，一部分唾液就通過導(dǎo)管流到了外面。巴甫洛夫通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要食物落到狗的口中，它就會泌出唾液，如果食物是濕的，分泌的唾液就少些，食物是干的，分泌的就多些。這種反射活動是狗和其它一切動物生來就有的，巴甫洛夫稱它為非條件反射。但后來的實(shí)驗(yàn)中，他又發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常重要的事實(shí)，除了食物刺激口腔會引起狗的唾液分泌以外，其他的刺激，比如光、聲音等的刺激，也能引起狗的唾液分泌。1903年，巴甫洛夫在馬德里的國際醫(yī)學(xué)年會上宣讀了他的實(shí)驗(yàn)和研究報(bào)告，認(rèn)為條件反射是高等動物和人類對環(huán)境作出反應(yīng)的生理機(jī)制，1904年，諾貝爾獎基金會該年度的生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎金，授予了巴甫洛夫，巴甫洛夫是世界生理學(xué)家中第一個(gè)享有這種榮譽(yù)的科學(xué)家。 巴甫洛夫做了一個(gè)相當(dāng)著名的實(shí)驗(yàn)，他利用狗看到食物或吃東西之前會流口水的現(xiàn)象，在每次喂食前都先發(fā)出一些信號（一開始是搖鈴，后來還包括吹口哨、使用節(jié)拍器、敲擊音叉、開燈……等等），連續(xù)了幾次之后，他試了一次搖鈴但不喂食，發(fā)現(xiàn)狗雖然沒有東西可以吃，卻照樣流口水，而在重復(fù)訓(xùn)練之前，狗對于“鈴聲響”是不會有反應(yīng)的。他從這一點(diǎn)推知，狗經(jīng)過了連續(xù)幾次的經(jīng)驗(yàn)后，將“鈴聲響”視作“進(jìn)食”的信號，因此引發(fā)了“進(jìn)食”會產(chǎn)生的流口水現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為條件反射，這證明動物的行為是因?yàn)槭艿江h(huán)境的刺激，將刺激的訊號傳到神經(jīng)和大腦，神經(jīng)和大腦作出反應(yīng)而來的。條件反射的情境涉及四個(gè)事項(xiàng)，兩個(gè)屬于刺激，兩個(gè)屬于機(jī)體的反應(yīng)。一個(gè)是中性刺激，它在條件反射形成之前，并不引起預(yù)期的、需要學(xué)習(xí)的反應(yīng)。這是條件刺激（CS），在巴甫洛夫的實(shí)驗(yàn)中就是鈴響。第二個(gè)刺激是無條件刺激（UCS）。它在條件反射形成之前就能引起預(yù)期的反應(yīng)：條件反射形成之前，出現(xiàn)了肉，即UCS，就引起唾液分泌。對于無條件刺激的唾液分泌反應(yīng)叫作無條件反應(yīng)（UCR）。這是在形成任何程度的條件反射之前就會發(fā)生的反應(yīng)。由于條件反射的結(jié)果而開始發(fā)生的反應(yīng)叫作條件反應(yīng)（CR），即沒有肉，只有鈴響的唾液分泌反應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)刺激緊接著（在空間和時(shí)間上相近），反復(fù)地出現(xiàn)，就形成條件反射。通常，無條件刺激緊跟著條件刺激出現(xiàn)。條件刺激和無條件刺激相隨出現(xiàn)數(shù)次后，條件刺激就逐漸引起唾液分泌。這時(shí)，動物就有了條件反應(yīng)。