Павлов был безгранично предан науке. Величайшей радостью для него был творческий труд. В "Письме к молодежи" он дал такое выражение своему отношению к науке: "Помните, что наука требует от человека всей его жизни. И если у вас было бы две жизни, то и их бы не хватило вам".
Павлов в своем лице объединил необыкновенное мастерство экспериментатора и выдающиеся способности ученого теоретика. Он придавал огромное значение получению и накоплению фактического материала. Поэтому в упомянутом письме, он требовал: "Изучайте, сопоставляйте, накопляйте факты! Как ни совершенно крыло птицы, но никогда не смогло бы поднять ее ввысь не опираясь на воздухе. Факты — это воздух ученого. Без них вы никогда не сможете взлететь. Без них ваши теории — пустые потуги".
Научную работу Павлов начал с исследования кровообращения. Он доказал, что регулирование деятельности сердца и кровеносных сосудов осуществляется на основе рефлекторной деятельности. Потом начал исследования пищеварительной системы, в те времена самой отсталой области физиологии. Павлов, в основном, интересовался "психическим" возбуждением пищеварительных желез, характерным примером которого является выделение слюны у животных при одном только виде пищи.
Для проведения опытов необходима была специальная операция на органах пищеварительного тракта, позволявшая вести так называемый "хронический опыт" и изучать деятельность пищеварительного аппарата на здоровом животном. Павлов мастерски овладел техникой таких операций. За исследования в области деятельности пищеварительного тракта Павлов в 1904 году был удостоен Нобелевской премии. Это послужило стимулом для исследований Павлова по физиологии центральной нервной системы, чему Павлов посвятил всю свою остальную жизнь. За тридцать пять лет деятельности в этой области Павлов разработал современную теорию высшей нервной деятельности, фактора, от которого зависят все проявления жизни.
Когда в начале нынешнего столетия Павлов начал исследования работы головного мозга, было известно, что психические процессы вытекают из деятельности коры головного мозга, причем среди ученых уже господствовал взгляд, высказанный Сеченовым, о рефлекторном характере этой деятельности. Павлов показал, что все психические явления возникают исключительно в клетках коры головного мозга. Рефлексом называют реакцию организма на раздражение какой-либо его части. Например, рефлексом является выделение слюны при поступлении пищи в рот. Павлов доказал, что слюноотделение у собаки, вызванное одним лишь видом пищи, тоже является рефлексом, но разнящимся от обыкновенного рефлекса. Дело в том, что этот вид рефлекса не является врожденной способностью, но возникает на протяжении жизни индивида, вследствие приобретения соответствующего опыта. Если кормить щенят одним только молоком, они никак не реагируют на вид других видов пищи, слюноотделение появляется только при виде молока. Однако достаточно несколько раз покормить щенят мясом, как у них слюноотделение появляется при виде мяса. Такой приобретенный рефлекс Павлов назвал условным рефлексом, в отличие от рефлекса безусловного, прирожденного.
Условные рефлексы можно вызвать с помощью разнообразных стимулов. Итак, слюноотделение у собаки можно получить с помощью стимула, не имеющего ничего общего с показом пищи, например, зажигая свет электролампы: достаточно несколько раз зажигать лампу во время подачи пищи, как один только вид зажженной лампы вызовет требуемый рефлекс, то есть слюноотделение. Есть еще одна разница между условными и врожденными рефлексами. Последние возникают во всех частях центральной нервной системы, тогда как место возбуждения условных рефлексов находится в коре головного мозга. Механизм возникновения условных рефлексов отличается сложностью и состоит в образовании временных соединений разных участков коры головного мозга. Различные причины могут вызвать ослабление условных рефлексов и даже полностью прекратить их. Число условных рефлексов, возникающих в мозгу животного по мере накопления жизненого опыта, весьма велико. Но часть из них с течением времени исчезает. Из огромного количества экспериментального материала, полученного Павловым, вытекает, что между процессами возбуждения и торможения, происходящими в коре головного мозга, происходит непрерывная борьба. Без этой борьбы, без непрерывного возникновения новых и исчезновения прежних условных рефлексов, жизнь была бы совершенно невозможна.