后來，又轉到軍醫學院深造，并在這所學院中度過了４０多個年頭。在這期間，巴甫洛夫選擇了研究消化系統的生理狀況這個課題，開始長時間觀察動物體內的消化活動。他首先把狗的食道經過手術切斷，把切斷的食道兩端縫在狗脖子的皮膚上，然后讓狗餓上一段時間。一天以后，巴甫洛夫把這只饑餓的狗拉到了實驗室，在狗的面前放一盤鮮肉。狗一見鮮肉，便貪饞地吞了起來。然后咀嚼了幾下就咽下去了。可是，不一會兒，咽下去的肉又掉到了食盤里。這是因為狗的食道已被切斷，肉根本進不了胃里。狗依然貪婪地吃著，盤子里的肉始終是那么多。

　　這只狗徒勞地吃了四五分鐘后，奇怪的現象出現了，在通向狗胃的一根像皮管里流出了大量的胃液。胃液不斷分泌，是狗的第十對腦神經——迷走神經的沖動引起的。巴甫洛夫對這只狗的迷走神經也動過手術，已在上面引出一根絲線。現在，只要他稍微提動一下絲線，就切斷了腦與胃之間的聯系。結果，狗盡管還是在不斷地吞咽鮮肉，但胃液卻停止分泌了。這就是著名的“假飼”實驗，它可以使人們觀察到狗的消化腺的分泌情況。

　　從２０世紀初，巴甫洛夫又開始研究高級神經活動，第一次發現了大腦皮層機能的活動規律。他又給一條狗動了手術，在狗的腮幫子上開個小孔，用一根細細的導管安在它的一個唾液腺上。當狗吃東西流唾液的時候，一部分唾液就通過導管流到了外面。

　　巴甫洛夫通過實驗發現，只要食物落到狗的口中，它就會泌出唾液，如果食物是濕的，分泌的唾液就少些，食物是干的，分泌的就多些。這種反射活動是狗和其它一切動物生來就有的，巴甫洛夫稱它為非條件反射。

　　但后來的實驗中，他又發現一個非常重要的事實，除了食物刺激口腔會引起狗的唾液分泌以外，其他的刺激，比如光、聲音等的刺激，也能引起狗的唾液分泌。為了通俗、形象地說明這種現象，在一次實驗時，巴甫洛夫舉起一只檸檬，對觀看實驗的學者說：“諸位都知道這是檸檬，我不準備把它送到你們口中，只是讓大家看一看……”說到這里，所有在場的人的口中都流出了口水，許多人不自覺地咽了一下，并且笑出聲來。巴甫洛夫接著說：“諸位并沒有吃到檸檬，卻流出了口水。但諸位又是吃過檸檬的，知道它很酸，所以一見到它就流出了口水。這種流口水的反射是有條件的。因此我們稱它為條件反射。”從“非條件反射”到“條件反射”，巴甫洛夫經歷了漫長而又艱苦的實驗過程，這是消化生理過程中的一項重要發現，為人類在生理學方面的研究，做出了巨大的貢獻。

　　為此，在１９０４年，諾貝爾獎基金會該年度的生理學和醫學獎金，授予了巴甫洛夫教授。要知道，巴甫洛夫是世界生理學家中第一個享有這種榮譽的科學家。

　　１９３５年，巴甫洛夫以８６歲的高齡，主持了在蘇聯召開的第１５屆國際生理學大會，在這次大會上，巴甫洛夫被授予“全世界生物學界元老”的稱號。

　　次年２月，這位被人們贊頌為“生理學無冕之王”的科學家去世。