研究过程如下。若把些含许多汁的食物拿给狗看，会使它的口流涎水。巴甫洛夫将一只试管放人狗的口中，以测量含汁食物所产生的唾液总量。当有食物在口中时，唾液的流出就是所谓反射作用，也就是说，这是肉体的本能动作之一，而没有经验的影响。反射作用有多种，有些很特殊，有些较一般，有的反射作用在新生儿身上即可观察到，但有的仅在发育的后阶级才会发生。婴儿会打喷嚏，打呵欠，伸肢体，吮吸，向亮光处转眼，并能在适当时机进行他不同的肉体运动，无须任何先前的学习，所有这类动作均称为反射，或按照巴甫洛夫的说法，是无条件反射。它们所包括的范围，从前为含糊的“本能”二字所掩盖。复杂的本能，如鸟的筑巢，似乎是一连串的反射作用。低级动物的反射作用很少为经验所改变，飞蛾虽焦其翼，依然投身火中。但在高级动物中，经验对反射作用大有影响，其中当首推人类。巴甫洛夫曾研究过经验对于狗的唾液反射的影响，这个问题的基本法则就是条件反射的法则：当无条件反射的刺激反复伴随某种别的刺激或直接在其前发生，则这种别的刺激能单独引起本来须由无条件反射的刺激所唤起的反应。流涎本来仅由口中实际的食物所引起，后来则可因看到和嗅到食物，或为平日提供食物之前所常见的信号所唤起。在这种情况下，便有了所谓条件反射，这种反应与无条件反射毫无二致，但其刺激却是新的，它因经验而与原先的刺激合为一体。这种条件反射律是学习的基础，老一代心理学家所谓“联想”的基础，语言理解的基础，习惯的基础以及与经验有关的一切实际行为的基础。
在此基础上，巴甫洛夫通过实验创造出各种复杂的条件。他不但用美味的食品做刺激物，也用难吃的酸味食品做刺激物，以便给狗造成接近的反应和避开的反应。通过一套实验后，他就可以通过另一套实验来抑制它。如果给予的信号有时继之以快乐的结果，有时继之以不快乐的结果，那狗最终要受精神崩溃之苦；它会变得歇斯底里或神经衰弱，它会变成一个典型的精神病患者。巴甫洛夫所采取的医治方法不是让它回想它的幼年期，或承认对它母亲的内疚情感，而是通过休息和使用溴化物。他讲述的一个故事值得所有教育工作者研究。他有一只狗，总是在打出一小块圆形光之后给狗进食，并且在打出椭圆形光后，用电击它。于是那狗学会了准确辨别圆形和椭圆形，它喜欢前者，而畏惧后者。巴甫洛夫接着逐渐减少那椭圆形的离心度，使其近似圆形。在很长一段时间时，那狗仍能准确地辨别。
当椭圆形越发接近圆形时，我们的辨别力也会逐渐提高。但是，当椭圆形的两轴为9：8，即近似圆形时，一切都会改变。我们所获得的更加精确的辨别力在持续两三个星期之后，不但自动消失，而且连以前获得的一切辨别力，也荡然无存。以前静立于长凳上的狗这时不停地挣扎咆哮着。所有辨别力必须重新培养，连获得极不精确的辨别力也需要比初次多得多的时间。为最终获得辨别力，必须故技重演，就是说，一切辨别力都消失了，那狗需要重新刺激。
类似的过程也常见于学校，这是许多学者明显痴呆的原因所在。
巴甫洛夫认为，睡眠主要是起一种抑制作用，事实上，它是一种普通而非特殊的抑制。基于对狗的研究，他接受了希波克拉底的观点，将气质分为四种，即胆汁质的、神经质的、多血质的和黏液质的。他认为黏液质和多血质较为健全，而神经质和胆汁质易于神经错乱。他发现他所养的狗均可分为这四种类型，因而人类亦然。
学习赖以进行的器官是皮质，巴甫洛夫认为他所从事的是皮质研究。他是生理学家，而不是心理学家，但他认为，在涉及到动物的地方，不能有像我们研究人类时从内省中得到的那种心理学。说到人类，他似乎不如约翰·B·华生博士成功。他说：“心理学，就其研究人的主观状态来说，自有其存在之权，因为我们的主观世界是我们所面对的第一个现实。然而，人类心理学的存在权虽应承认，动物心理学的必要性却大可怀疑。”涉及到运动的地方，他是一个纯粹的行为主义者，其依据是：我们无法知道动物是否有意识，如果动物有，我们也无法知道那意识属何种性质。尽管他对内省心理学做出理论上的让步，他关于人类的种种说法却是以其条件反射的研究为依据的，显而易见，他关于肉体行为的观点完全是机械论的。
只要研究一下神经组织中所发生的物理化学过程，我们就能得到有关一切神经现象的真正的理论，而且这一过程的各个阶段能使人充分解释神经活动的所有外部表现，以及它们的连续性和相互关系。
下面这段引文很有趣味，不但表明他对这一问题的立场，而且说出他基于科学进步而对人种问题所怀有的理想主义的希望：
……在开始工作及其后很长一段时间里，我们总是习惯于从心理学角度来解释我们的问题。每当客观的考察受阻，或因问题复杂而止步不前时，对新方法正确性的怀疑便油然而生。随着研究地深入，怀疑逐渐减小了，现在我已坚信，只要循此道路前进，人类的智能终将解决其尖端问题——了解人性的结构和规律。只有这样，充分、真实和永恒的幸福才会到来。让智能战胜自然，节节胜利吧；让它为了人类的生存和活动，不仅征服地球表面，而且也征服海洋深层和大气外部极限之间所存在的一切吧；让它根据自己的需要，指挥巨大的能量从宇宙的这一端流向另一端吧；让它消灭空间以传递它的思想吧——然而，为黑暗势力驱赶到战争、革命及其恐怖中去的人类也会造成无法估量的物质损失和难以言喻的痛苦，以致重返野兽状态。只有科学，关于人性本身的准确科学，以及通过万能科学方法研究人性的诚意，才能使人类摆脱目前的黑暗，并洗清人际关系的现代耻辱。
在形而上学方面，他既不是物质论者，也不是精神论者。他的见解将精神与物质区别开的习惯是一种错误，将实在视为此二者或非此二者，都是正确的。他说：“我们已开始将精神、灵魂和物质视为一体，根据此观点，将没有必要对它们加以区分。”
巴甫洛夫具有诸如伊曼纽尔·康德这类早期尝得的艰苦朴素和持之以恒的特点。他过着静寂的家庭生活，从不间断地准时走进他的实验室。在革命期间，有一次他的助手迟到十分钟，并以革命为由，巴甫洛夫答道：“当你在实验室里有要干的工作时，革命与你何干？”在他的著作中只有一次提及俄国的危机，那是因为食物短缺，他喂养动物遇到了困难。虽然他的工作或可用来支持共产党的官方形而上学，但他却对苏维埃政府深恶痛绝，无论是公开或私下都猛烈地抨击它。尽管如此，政府还是待他无微不至，并慷慨地向他的实验室提供一切他所需要的一切。
与牛顿、达尔文相比，巴甫洛夫没有企图以雕像式的完备来表现他的理论，这是典型的现代科学状态。“我未将二十年来的成果加以系统表述的原因如下：这是一个全新的领域，工作在不断进展。新实验和新观察每天都给我们带来新的事实，在这种时候，我怎么能为了使成果系统化而停下来寻找什么广泛的概念呢？”当今科学发展的速度太快了，类似牛顿《原理》或达尔文《物种起源》那种著书立说的方式是行不通的。在那样一部书完成之前，早已时过境迁了。这在许多方面是颇为惋惜的，因为昔日伟大的著作所具有的某种优美和庄严已从今日即兴刊物中消失了。然而，这是知识迅速增长的必然结果，因此应当从哲学的角度去认识。
巴甫洛夫的方法能否包括整个人类行为尚属疑问，但无论如何它们能包括很大的领域，而且在此领域内它们已指明如何应用带有定量的准确性的科学方法。他已为准确的科学开拓出一个新领域，因此应当被视为当代的伟人之一。巴甫洛夫成功、抓住的问题是如何使过去被视为自由行为的东西服从于科学法则，同一种类的两只动物或两种不同场合的一只动物，能对同一刺激做出不同的反应，这就产生了一种观念，即确实有所谓意志的东西存在，它能使我们对于各种情境做出随心所欲、不受科学规律支配的反应。巴甫洛夫关于条件反射的研究表明，不受动物天性制约的行为也有其自身的规律，而且像无条件反射所支配的行为一样，可受科学地对待。正如霍格本教授所说：
在我们这个时代，巴甫洛夫学派的工作有史以来第一次成功地解决了霍尔丹博士所谓“意识行为”的问题，并以非神学的术语加以说明，使它成为关于新反射系统产生条件的研究。
对这一成就的研究越是深入，就越觉其重要，因此，巴甫洛夫当数我们这个时代最杰出者之列。