他在《論心髒的離心神經》的博士論文中，第一次論證了神經對心髒功能的調節作用。他認為是由四條神經對心髒功能發揮阻止、加速、抑製和興奮作用，這是以前人們沒有發現的。
以後巴甫洛夫對心髒離心神經仍不斷地進行研究。1888年，他發明了哺乳動物活動的離體心髒手術。用來研究各種藥物對心髒作用的藥理學和血液循環生理學上的一係列問題。他還發現這樣一個事實：當血液流經肺部時，血液流動暢通；當血液不經肺部時，血液很快凝固。
他得出結論：當血液流經肺部時，有某種抗凝物質混入血液。多年後，科學家從肺組織中分離出一種強烈的抗凝物質，證明了巴甫洛夫的論斷。以後，巴甫洛夫強調神經係統對機體活動過程的調節作用的思想，被學術界稱為“神經論”，成為科學家建立神經係統營養性機能學說的基礎。
（二）消化係統生理學
巴甫洛夫從1879年開始用了近二十年的時間集中精力研究消化生理學，以後在1906年～1911年進一步加強這方麵的研究。他係統地研究消化生理的諸多方麵，采用慢性實驗法，創造了多種外科手術，導致把外科手術引進到整個消化係統研究領域，發現了主要消化腺的分泌規律，奠定了現代消化生理學的基礎。
巴甫洛夫在健康的動物身體上安裝瘺管，如胰腺瘺、唾液腺瘺、膽管末端瘺、食管瘺、胃瘺等導管。觀察在任何時間內所收集到的純淨的消化液，獲得了關於消化腺分泌全過程和消化液成分的基本材料，為搞清神經係統對整個消化過程的調節機製奠定基礎。
1889年，巴甫洛夫對實驗狗施行食管切斷手術並安裝胃瘺導管，應用著名的假飼法收集胃液並進而研究胃液分泌機製。這個實驗非常成功，狗吃下去的食物自食管切斷處落下，並沒有進入胃，但假飼開始幾分鍾後，胃液開始分泌，並迅速增加，能持續幾十分鍾乃至幾個小時。如果切斷狗的迷走神經，假飼便不再引起胃液的分泌。通過實驗，巴甫洛夫得出結論：食物引起味覺器官興奮，這種興奮通過味覺神經傳至延髓，而後再由延髓通過迷走神經傳至胃腺，也就是進行著從口腔到胃腺的反射。如將兩條迷走神經切斷，則反射不能完成，假飼時，胃腺便沒有反應。
1894年，巴甫洛夫又成功地製成了分離小胃，以後被命名為“巴甫洛夫小胃”，簡稱“巴氏小胃”。他在動物胃上實施一個小手術，將動物胃的基底部分分割出一個不大的袋囊（巴氏小胃），巴氏小胃與胃體之間有共同的外壁，共同的血液循環和神經支配，但它們彼此卻由內部粘膜層縫合成的“隔壁”分開。進入大胃的食物和唾液並不進入小胃，然而大胃與小胃的反射活動完全相同。通過多次實驗證明：被吸收的食物數量、種類和胃液數量關係密切。
這個實驗獲得了關於消化腺分泌全過程和消化液成分的基本材料，為搞清神經係統對整個消化過程的調節機製奠定基礎，對於營養學和醫學有重要價值。
（三）高級神經活動生理學
從1903年起，一直到他生命的最後一刻，巴甫洛夫連續三十餘年致力於高級神經活動生理學和大腦生理學的研究，從而發現了大腦皮層和大腦兩半球活動的規律，建立了高級神經活動學說，也稱大腦皮層的條件反射學說。
巴甫洛夫認為動物的一切行為都屬於反射的範疇。他把反射分為非條件反射和條件反射兩類。所謂非條件反射是動物天生的功能，具有永久性，不因環境改變而喪失這種功能的反射活動。例如，狗在進食時由於食物的結構和化學刺激，使口腔粘膜中的化學感受器興奮，通過神經傳導引起唾液腺分泌唾液，這種反射就是非條件反射。所謂條件反射是指後天形成的，經過多次強化，使本來無關的刺激也能引起反應的反射活動。例如，用與食物無關的條件如鈴聲來刺激狗，這時狗的唾液腺並不分泌唾液，但若把鈴聲和食物聯係在一起，即每次給狗喂食前就響鈴聲，這樣實驗若幹次後，隻要單獨用鈴聲就會使狗的唾液腺產生反應，分泌唾液，這就是條件反射。
巴甫洛夫發現了條件反射，即發現了動物界和我們人類本身基本的，同時也是最普遍的現象。研究表明，條件反射是建立在非條件反射基礎上的一種暫時的聯係，也就是在條件刺激的皮層興奮灶與非條件刺激的皮層興奮灶之間，由於多次結合強化，從而建立了暫時的神經聯係。由此可知條件反射具有暫時性的特點。