一隻碩大的狗被麻醉後放到了手術台上，巴甫洛夫將狗的腹壁切開一個小口，做成胰腺瘺管，實驗時，分泌的胰液從瘺管流出，平時則把胰液引入十二指腸，使狗可以完全正常地活下去。
巴甫洛夫把這種實驗方法稱為“慢性實驗”法。
這個實驗成功後，巴甫洛夫又成功地給動物安裝了胃瘺、唾液腺瘺、輸膽管瘺等。
1888年，巴甫洛夫又做了著名的“假飼實驗”。
在給狗安裝了胃瘺之後，將它的食道切斷，在實驗台上，帶瘺管的狗前麵放著一個食盤，饑餓的狗狼吞虎咽地吃了起來，可是咽下去的食物半路上從食道切口處掉了出來，又落在食盤裏，這樣，狗雖然不停地吃，胃裏卻始終空空的。
巴甫洛夫通過胃瘺管發現，食物雖然沒有進入胃裏，但狗的嘴巴一動，一咀嚼食物，胃就開始分泌胃液，做好了消化的準備。
巴甫洛夫切斷狗的迷走神經，假飼就不再引起胃液分泌了。
他由此得出結論：胃液分泌受神經調節，動物咀嚼、吞咽引起的刺激傳到大腦，又經迷走神經傳到胃，經過這樣一係列神經反射過程，引起了胃液分泌。
多年的研究成果使巴甫洛夫寫出了生理學的權威著作《主要消化腺功能講義》，這本《講義》成了世界生理學家學習的範本。
1904年，55歲的巴甫洛夫榮獲了諾貝爾生理學和醫學獎，他是俄國第一個獲得諾貝爾獎的科學家。
巴甫洛夫沒有停止自己的工作，“研究大腦的活動規律”成了他奮鬥的又一個目標。為了這個目標，他一直奮鬥了30多年，直至去世。
我們都有這樣的經驗：手碰到火馬上就會縮回來，吃食物就會引起唾液分泌……這類現象被稱為反射。但反射是怎樣形成的？它的生理學基礎是什麼？這就是巴甫洛夫所要研究的。他的實驗對象仍然是狗。他為此做了一個奇特的實驗。
在給狗喂食之前，打開電燈，因為燈光與食物沒有任何聯係，狗根本不理會，也不流唾液，而開燈後立即給狗喂食，狗的唾液就流出來了。
從此，凡是喂狗的時候，燈光和食物總是先後同時出現。重複多次後，一個奇怪的現象出現了：隻要燈光一亮，即使不喂食物，狗也會流出口水。
可見，在狗的大腦裏，燈光已經變成了食物的信號，所以狗一看見燈光，就會做出消化食物的反應，流出唾液。
巴甫洛夫把他的這個研究成果稱為“條件反射”。
人類的心理活動，巴甫洛夫認為也是一種複雜的條件反射，但同動物的行為有本質上的區別，人類的語言，巴甫洛夫把由語言引起的活動，稱為第二信號係統活動，這是人類特有的高級神經活動。巴甫洛夫的學說，有史以來第一次對人類高級神經活動作出了科學的論述。
1928年，適逢解剖生理學家威廉·哈維誕生三百五十周年紀念，巴甫洛夫應各國生理學家的邀請，抵達倫敦主持會議。在倫敦，他受到了空前熱烈的歡迎，倫敦的各家報紙都稱他為“哈維再世”。他們驚奇地發現：這位著名的生理學家是如此的沉默寡言，並且不善於表達。遇到什麼得意或高興的事，巴甫洛夫總是先低哼上大半天，然後才道出他哼哼的所以然來。劍橋大學醫科教授安裏浦曾在俄國追隨巴甫洛夫多年，隻有他才深知巴甫洛夫是一個“一星期可能不說一句話的怪人。如果對著陌生的人或讓他討厭的人，他會默坐著一言不發”。
巴甫洛夫是俄國人民的驕傲，不隻因為他那卓越的科學成就，他的謙遜、質樸和真誠的品質也同樣為人們所稱頌。