巴甫洛夫對血液循環中神經調節問題的研究，大大推動了藥物對心血管係統的影響的研究，從而在治療各種心血管係統疾病方麵起了巨大的作用。
這篇重要的論文使巴甫洛夫獲得了博士學位、講師職稱和一枚金質獎章，並被選派出國考察兩年，這篇論文綜合了這一時期巴甫洛夫的成果。
在研究血液循環生理的過程中，巴甫洛夫還有一個卓越的發現：血液循環不經過肺部時，血液很快就凝結了，而經過肺部時，則久久不凝結。他下了結論：當血液流經肺部時，就有某種抗凝的物質混進來。很多年以後，科學從肺組織內分離出一種強烈的抗凝的物質，進一步證實了巴甫洛夫的論斷。
巴甫洛夫強調神經係統對機體活動過程作用的理論，學術界稱為“神經論”，成為後來的科學家建立神經係統機能的理論基礎。
巴甫洛夫的科學研究成果是相當出色的，但他在生活卻依然貧困。在《心髒的離心神經》論文通過的那一年，他的妻子為他生了個兒子。夏天，巴甫洛夫沒錢讓妻兒在彼得堡附近租房避暑，而把他們送到遙遠的南方農村——賽拉菲瑪的姐妹那裏。因湊不夠錢買火車票，隻好讓他們先乘車到梁讚老家，再請父親幫忙。在漫長的旅途中，巴甫洛夫的愛子病夭在荒僻的鄉村裏。
有時巴甫洛夫手頭沒有一個錢，寄宿在實驗室，或借住在友人的家中，他的同事和學生想了一個不露聲色的辦法幫助他：請他係統地講授關於心髒神經支配的全部課程，然後湊了一筆錢交給他，作為講課的酬勞。結果，巴甫洛夫分文未留，用全部的錢買了講這個課程所需要的狗。
1884——1886年，巴甫洛夫出外考察和研究。在以後的兩年中，他到過德國的布累斯拉夫裏、萊比錫、海岱山和奧地利的維也納，在一些著名教授的實驗室裏進行考察和研究工作。
三、揭示消化生理的秘密
巴甫洛夫從國外考察歸來後，繼續從事有關消化生理方麵的創造性的研究。這個課題，是他一直非常感興趣的。早在大學四年級時，他就發表過關於消化係統研究的第一篇科學論文，到他單獨領導實驗室後，就把這一研究工作推向了縱深。他從1879年到1897年用了18年的時間集中研究這方麵的問題。1906年到1911年他又進一步加強這方麵的研究工作。
研究消化生理的過程是很困難，大多數的消化液汁（如胃液、胰液、膽汁、腸液），隻在食物進入胃腸道時才分泌出來；而當食物移動時，這些消化液又互相混合，很難確定它們的成分與作用。在巴甫洛夫以前，消化生理學是生理學中一個落後的領域，以前的學者隻對一些消化腺活動及整個消化過程活動的規律性有些模糊的概念，例如某些生理學家當時就認為胃腺和胰腺沒有分泌神經。巴甫洛夫創造了關於消化係統的一整套著名的外科手術，經過長期反複的實驗和研究，獲得了關於消化係統生理學的基本的和切實可靠的材料。
巴甫洛夫在健康的動物身上安裝瘺管，如胰腺瘺、唾液腺瘺、輸膽管末端瘺等。這些瘺管是通向幾乎整個消化道的“窗口”。通過這些“窗口”，可以精確地觀察各種腺體的分泌活動，收集消化液供全麵研究之用。
1889年巴甫洛夫成功地做了一個著名實驗。他在安裝胃瘺的狗的頸部割斷食管，將管口縫在頸部皮膚的創口上，等手術後狗已恢複和健康的狗沒有多少差別時，就進行“假飼”試驗，給狗吃肉、吃麵包或其他食物，咽下去的食物自食管切斷處落下，並未進入胃部。但假飼開始幾分鍾後，胃液分泌也就開始了，且大量迅速增加能持續幾十分鍾乃至幾小時。如果切斷狗的迷走神經，假飼即不再引起胃液的分泌通過實驗，巴甫洛夫得出如下結論：食物先引起味覺器官的興奮，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。把兩根迷走神經切斷，自延髓至胃腺的興奮通道中斷，假飼時胃腺便沒有反應。
後來用類似的實驗證明胰腺和胃腺等主要消化腺分泌都受神經的調節支配。巴甫洛夫的經典性實驗在重要的理論和實際問題方麵把生理學引上了正確的道路。
巴甫洛夫的實驗室可以製造胃液，每天大約能收集到20公升的胃液。這些胃液經過過濾去除氣味和雜質後，賣給醫院。這樣，既使胃酸過低或胃液缺乏的病人得到治療，又可以用出售胃液的收入購買實驗用品和動物。當時，彼得堡一個大藥房老板曾向巴甫洛夫提出購買製造胃液的專利權，企圖高價出售牟取暴利，遭到巴甫洛夫的嚴辭拒絕。實驗室的胃液仍按原來的低價出售。
1890年，巴甫洛夫被任命為軍醫學院的藥物學副教授。第二年，院方為他布置了一個實驗室，並配備了助手，使他工作的物質條件有了很大的改善。這時，巴甫洛夫可以從事比較複雜而費用比較浩大的工作了。
為了說明胃中的消化過程，巴甫洛夫對“假飼”的結果從來就沒有滿意過。他將收集到的胃液加熱到體溫的程度，投入食物，便可以看到它們消化的過程。但是，這樣還不能全麵了解胃的功能，因為它看不出真正的食物進入胃腔後胃液是怎麼分泌的。1893年，巴甫洛夫首次想到，從胃壁裁開一小塊，把它縫合成一個與胃腔隔開的盲袋狀小囊，小囊的開口在腹部皮膚之外。這個小囊與大胃的胃腔之間由胃內壁粘膜隔開，食物通過大胃時不會掉進小囊。但小囊與大胃之間保持著血液循環和神經聯係，因此，從小囊開口可以得到純淨的胃液，而小囊的胃腺分泌活動就象一麵鏡子一樣反映出整個胃的胃液分泌情況。製造這樣一個小囊，曾經遇到許多技術上的困難，耗費了半年多時間，死了三十多條狗。一些同事都認為不可能成功了，勸巴甫洛夫放棄這個設想。但他堅持下去，終於獲得成功。1894年，巴甫洛夫成功地完成了這個著名的實驗，製成分離的小胃。人們把這個小囊稱做“巴甫洛夫小胃”，或簡稱為“巴氏小胃”。
在安裝小胃的狗身上進行的許多實驗證明：被吸收的食物數量、種類和胃液數量有密切關係。消化腺使自已的活動性質以及分泌液的物質極其精確地適應於食物的量、類別和質。這種實驗獲得了關於消化腺分泌的全過程和消化液成份的基本材料，為搞清神經係統對整個消化過程的調節機製奠定了基礎，對於營養學和醫學有重大價值。
從1895年起。巴甫洛夫轉向更多地研究其他消化腺和消化過程的整個聯係。經過多年堅忍不拔的努力，巴甫洛夫終於揭開了消化生理的秘密，闡明了完整機體在正常生活條件下消化機能的內在規律；他所創造的慢性實驗法，不僅使消化生理學煥然一新，也促進了整個生理學的改造和發展。
1897年，使他成名的著作《主要消化腺活動講義》出版了。這部著作是巴甫洛夫二十年來實驗室工作的總結。這本著作出版後，立刻在國外被譯成好幾種外國文字，幾千封祝賀信從世界各地雪片似地飛來。這一年，巴甫洛夫終於獲得了軍醫學院生理學正教授的職位。
1904年，巴甫洛夫由於在消化生理學方麵的卓越成就而榮獲諾貝爾獎金。他是世界上第一個領受諾貝爾獎金的生理學家，也是第一個領受諾貝爾獎金的俄羅斯科學家。但由於巴甫洛夫具有民主主義思想，支持青年學生的革命活動，受到沙皇官吏的敵視。他申請過彼得堡大學（謝切諾夫離去後出缺）生理學講座，可是他的申請遭到了拒絕。巴甫洛夫很感悲傷，他感到遭受屈辱的苦味。沙皇政府的大臣吉裏亞諾夫拒絕批準他擔任托姆斯克大學的生理學講座。由於另一個大臣的出麵請求，吉裏亞諾夫竟把這個職位給了不出名的梵裏基。這件橫行的事件引起了醫學界進步人士的抗議。《醫生》報上的一篇文章說“對於一個動物學博士梵裏基被任命擔任托姆斯克大學的生理學講座……原來準備任命醫學院生理學講師巴甫洛夫來擔任這個職位的計劃並未得到實現，我們不能不表示深切的遺憾。巴甫洛夫曾經長時期被公認為俄國最好的生理學家之一，而且這裏有很多理由可以證明他的優越資格，他不僅是一位醫學博士，而且還是一位自然科學碩士，此外他又在波特金病院裏不斷地工作，並在進行工作中輔導別人。我們還知道，不任命巴甫洛夫，已經使在這類事件中極有經驗的公正人士像伊·米·謝切諾夫教授都感到驚奇”。
後來，生理學家巴甫洛夫先後被托姆斯克大學、華沙大學選為物理學講座的教授，但他都沒有去。不久（1890年），他被任命為軍醫學院藥物學教授。在這個職位上他工作了多年，直到轉為該院生理學講座為止。巴甫洛夫主持這個生理學部門連續長達30年之久。