Ele continuou seus estudos e começou a fazer a sua própria investigação em temas que lhe interessavam mais: a digestão e a circulação sanguínea. Seu trabalho tornou-se conhecido, e ele foi nomeado professor de fisiologia na Academia Médica imperial.
O trabalho que fez Pavlov um nome familiar na psicologia, na verdade, começou como um estudo na digestão. Ele estava olhando para o processo digestivo em cães, especialmente a interação entre a salivação ea ação do estômago. Ele percebeu que eles estavam intimamente ligados por reflexos no sistema nervoso autônomo. Sem a salivação, o estômago não obter a mensagem para começar a digerir. Pavlov queria ver se estímulos externos poderiam afetar este processo, então ele tocou um metrônomo, ao mesmo tempo ele deu o experimental cães alimentos.
Depois de um tempo, os cães – que antes única salivated quando viram e comeu sua comida – começaria a salivar quando o metrônomo soou, mesmo sem comida estavam presentes. Em 1903 Pavlov publicou seus resultados chamando isso de “reflexo condicionado”, diferente de um reflexo inato, como arrancando uma mão de volta de uma chama, em que tinha de ser aprendido. Pavlov chamou esse processo de aprendizagem (em que o sistema nervoso do cão vem para associar o o som do metrônomo com a comida, por exemplo) “condicionado”. Ele também descobriu que o reflexo condicionado vai ser reprimida se o estímulo prova “errado” com demasiada frequência. Se o metrônomo soa repetidamente e nenhuma comida aparece, eventualmente, o cão parar de salivar com o som.