O seu nome está ligado ao descubrimento do reflexo condicionado, que deu a coñecer en 1903. Tal descubrimento consiste en aplicar os métodos obxectivos da fisioloxía ao estudo dos procesos nerviosos superiores. Pavlov chegou a este descubrimento mentres, utilizando cans, desenvolvía investigacións sobre a dixestión, campo no que realizou contribucións importantes que o levaron a que lle fose concedido o premio Nobel de Medicina e Fisioloxía no ano 1904.
É ben coñecido o seu clásico experimento: asociando, un certo número de veces, un son de campá á presentación de carne a un can, ao final a badalada determina a salivación (o vulgar facerse a boca auga) no can, que antes de certo non se producía; xa que o can se comporta así a causa dun reflexo condicionado provocado artificialmente.
Os reflexos condicionados naturais e artificiais, a súa modalide de formación e de acción, son asunto de grande importancia en fisioloxía, psicoloxía e psiquiatría, aínda que con resultados alternos.
O goberno soviético preparoulle a Pavlov un magnífico laboratorio en Koltushing, preto de Leningrado.
