巴甫洛夫的主要工作是關于高級神經活動的研究。他是用條件反射方法對動物和人的高級神經活動進行客觀實驗研究的創始人，也是現代唯物主義高級神經活動學說的創立者。他詳細地研究了暫時神經聯系形成的神經機制和條件反射活動發展與消退的規律性，論述了基本的神經過程一興奮和抑制現象的擴散和集中及其相互誘導的規律，提出了神經系統類型的學說和兩種信號系統的概念。在蘇聯，它們被認為是對心理學問題進行辯證唯物主義深入研究的自然科學基礎。他強調了心理與生理的統一，反對把二者割裂開來。他的研究有助于心理學擺脫唯心主義和內省主義的束縛。
作為一名嚴謹的自然科學家。巴甫洛夫十分反對當時的心理學，反對過分強調“心靈”、“意識”等看不見、摸不著的僅憑主觀臆斷推測而得的東西。巴甫洛夫在心理學界的盛名首先是由于他關于條件反射的研究，正是狗的消化研究實驗將他推向了心理學研究領域，而后來，該項研究的成果――條件反射理論又被行為主義學派所吸收，并成為制約行為主義的最根本原則之一。巴甫洛夫對心理學界的第二大貢獻在于他對高級神經活動類型的劃分，而這同樣始于他對狗的研究。他發現，有些狗對條件反射任務的反應方式和其他狗不一樣，因而他開始對狗進行分類，后來又按同樣的規律將人劃分為4種類型，并和古希臘人提出的人的4種氣質類型對應起來，由此，他又向心理學領域邁進了一步。巴甫洛夫直到彌留之際他都不愿意把自己當作一位心理學家，但盡管如此，鑒于他對心理學領域的重大貢獻，人們還是違背了他的“遺愿”，將他歸入了心理學家的行列，并由于他對行為主義學派的重大影響而視其為行為主義學派的先驅。
巴甫洛夫的主要著作：《心臟的傳出神經》（1883）、《主要消化腺機能講義》（1897）、《消化腺作用》（1902）、《動物高級神經活動（行為）客觀研究20年經驗：條件反射》、（1923）《大腦兩半球機能講義》（1927）。