巴甫洛夫的主要工作是關于高級神經(jīng)活動的研究。他是用條件反射方法對動物和人的高級神經(jīng)活動進行客觀實驗研究的創(chuàng)始人，也是現(xiàn)代唯物主義高級神經(jīng)活動學說的創(chuàng)立者。他詳細地研究了暫時神經(jīng)聯(lián)系形成的神經(jīng)機制和條件反射活動發(fā)展與消退的規(guī)律性，論述了基本的神經(jīng)過程一興奮和抑制現(xiàn)象的擴散和集中及其相互誘導的規(guī)律，提出了神經(jīng)系統(tǒng)類型的學說和兩種信號系統(tǒng)的概念。在蘇聯(lián)，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(tǒng)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?shù)淖匀豢茖W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(jīng)活動類型的劃分，而這同樣始于他對狗的研究。他發(fā)現(xiàn)，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(guī)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(jīng)》（1883）、《主要消化腺機能講義》（1897）、《消化腺作用》（1902）、《動物高級神經(jīng)活動（行為）客觀研究20年經(jīng)驗：條件反射》、（1923）《大腦兩半球機能講義》（1927）。