Первым серьезным открытием, которое создало ему славу, было открытие так называемого усиливающего нерва сердца. До И. П. Павлова было известно, что сердце регулируется в своей работе блуждающим нервом. Этот факт подробно был исследован братьями Вебер, немецкими учеными — физиологами, с именами которых и связано открытие тормозящего действия блуждающего нерва на сердце. Экспериментируя на собаках, И. П. Павлов обратил внимание, что при раздражении некоторых нервов сердце начинает сокращаться более сильно. Замечательным было также то, что уже остановившееся сердце могло быть вновь приведено в действие, если раздражать этот нерв. Впоследствии этот нерв получил название «нерва Павлова». Весь этот цикл работ И. П. Павлова был оформлен в виде его докторской диссертации под названием «Центробежные нервы сердца», за которую он в 1883 году получил звание доктора медицины. Уже в этот период обнаружилась одна принципиальная особенность научного творчества И. П. Павлова, которая впоследствии создала самое плодотворное из всех физиологических направлений. Эту принципиальную особенность можно формулировать так: изучать животный организм в его целостном, естественном поведении. Изучение всех проявлений организма должно производиться в условиях, максимально приближающихся к естественным условиям жизни животного. Между тем обстановка большинства физиологических экспериментов того времени коренным образом отличалась от естественной. Животное погружалось в наркоз, и на таком наркотизированном животном производилось измерение кровяного давления, учет работы сердца и т. д. Получал ли экспериментатор при этом правильные сведения? Теперь мы знаем, что выключение наркозом огромного влияния центральной нервной системы на работу внутренних органов делает все наблюдения неполноценными. И. П. Павлов нарушил установившуюся традицию экспериментирования и разработал способ измерения кровяного давления у животного в нормальном состоянии.
Эти нововведения И. П. Павлова не обошлись, конечно, без курьезов. Некоторые наблюдатели, присутствовавшие на опытах с животным, решили, что перед ними ненормальный исследователь, и написали жалобу в полицейское управление.
Наиболее полно в лаборатории И. П. Павлова была разработана физиология слюнных, желудочных и поджелудочных желез. Обычные приемы получения слюны, употреблявшиеся до И. П. Павлова, заключались в том, что у животного, находящегося под наркозом, раздражался нерв, управляющий слюноотделением, и в результате этого раздражения из протока слюнной железы вытекала слюна. Этот способ не мог удовлетворить И. П. Павлова. Вместе со своим сотрудником доктором Глинским он разработал аппарат, с помощью которого слюнный проток выводят наружу через прокол щеки. Тогда при еде животного происходит выделение натуральной слюны наружу, которая и собирается экспериментатором в специальные сосуды. Количество и качество выделяемой слюны всегда зависело от пищи, которая попадала в рот животного. Так, например, если в рот попадала сухая пища, то слюна содержала большое количество воды; если жесткая пища, то в слюне появлялись слизистые вещества, которые обволакивали пищу и тем самым предотвращали ее вредное воздействие на слизистую оболочку пищеварительного тракта.
Но особенно много новых идей И. П. Павлов применил при изучении работ желудочных желез. На этом пути им было сделано такое количество новых операций и открытий, что можно по праву сказать, что настоящая физиология желудка стала существовать только после работ И. П. Павлова. Его первое важное открытие в этой области заключалось в том, что он установил наличие специальной сокоотделительной функции желудка в тот момент, когда еще пища не попадала в желудок. Животное только лишь видело пищу, а желудочные железы уже выделяли сок. Особенно отчетливо эта закономерность проявилась при опыте с так называемым «мнимым кормлением». Он заключался в следующем. Животному перерезался пищевод на середине шеи, и оба конца перерезанного пищевода выводились наружу и пришивались на кожу. После такой операции пища, съедаемая животным и проглатываемая им, выходила наружу через верхнее отверстие и падала в ту чашку, из которой животное ело. Таким образом, одна и та же пища могла без конца пережевываться и проглатываться животным, и создавалось действительно «мнимое кормление». Хотя в этом опыте целиком устранялось действие пищи на слизистую оболочку желудка, тем не менее из желудка вытекал желудочный сок. Следовательно, для того, чтобы эта первая порция желудочного сока начинала выделяться, совсем не нужно было, чтобы пища попадала в желудок.