Bio je profesor farmakologije u Lenjingradu na Vojnomedicinskoj akademiji, te je upravljao fiziološkim odjelom Instituta za eksperimentalnu medicinu. Značajni su mu radovi o inervaciji srca i o funkciji jetre. Istraživanja fiziologije želučane sekrecije donijela mu je 1904. godine Nobelovu nagradu za fiziologiju ili medicinu.
Svaki refleks uključuje podražaj (stimulus) i odgovor (reakciju). Svaki uvjetni refleks je naučen na bazi prethodno postojećeg refleksa ili tzv. bezuvjetnog refleksa. U Pavlovljevim eksperimentima sa psima, bezuvjetni refleks je bila proizvodnja sline kao reakcija na podražaj hrane. Dakle, pas je gladan i kada vidi lijepi odrezak cure mu sline.
Na bazi toga bezuvjetnog refleksa Pavlov je učio pse novi, uvjetni refleks, koji prethodno nisu znali. U tom novom refleksu ista reakcija, kao na primjer slinjenje, je izazvana nekim drugim podražajem, a ne hranom. Tako su na primjer psi naučili sliniti na zvučni podražaj zvonca. Da bi to postigao, Pavlov je trebao prvo prezentirati neko vrijeme zvonce i hranu zajedno. Nakon toga su psi naučili reagirati samo na zvonce kao da im je prezentirana hrana i to je bio uvjetni refleks. Da bi ta procedura bila uspješna, bilo je potrebno prezentirati prvo zvonce i onda hranu, a nikako obrnuto. Simultana prezentacija isto nije bila efikasna za formiranje uvjetnog refleksa.
Pavlovljev pas, Pavlovljev Muzej, 2005
Njegova istraživanja bila su dalekosežna, posebno s obzirom na primjenu u psihologiji i psihijatriji jer su se smatrali fundamentalnima za process učenja. Unošenjem novih ideja i shvaćanja formirao je u fiziološkoj znanosti pravac nazvan Ruskom fiziološkom školom.
Potrebno je razlikovati Pavlovljevo (ili klasično) uvjetovanje od operantnog uvjetovanja, kojega je otac bio B. F. Skinner.
