巴甫洛夫的主要工作是关于高级神经活动的研究。他是用条件反射方法对动物和人的高级神经活动进行客观实验研究的创始人，也是现代唯物主义高级神经活动学说的创立者。他详细地研究了暂时神经联系形成的神经机制和条件反射活动发展与消退的规律性，论述了基本的神经过程一兴奋和抑制现象的扩散和集中及其相互诱导的规律，提出了神经系统类型的学说和两种信号系统的概念。在苏联，它们被认为是对心理学问题进行辩证唯物主义深入研究的自然科学基础。他强调了心理与生理的统一，反对把二者割裂开来。他的研究有助于心理学摆脱唯心主义和内省主义的束缚。
作为一名严谨的自然科学家。巴甫洛夫十分反对当时的心理学，反对过分强调“心灵”、“意识”等看不见、摸不着的仅凭主观臆断推测而得的东西。巴甫洛夫在心理学界的盛名首先是由于他关于条件反射的研究，正是狗的消化研究实验将他推向了心理学研究领域，而后来，该项研究的成果――条件反射理论又被行为主义学派所吸收，并成为制约行为主义的最根本原则之一。巴甫洛夫对心理学界的.第二大贡献在于他对高级神经活动类型的划分，而这同样始于他对狗的研究。他发现，有些狗对条件反射任务的反应方式和其他狗不一样，因而他开始对狗进行分类，后来又按同样的规律将人划分为4种类型，并和古希腊人提出的人的4种气质类型对应起来，由此，他又向心理学领域迈进了一步。巴甫洛夫直到弥留之际他都不愿意把自己当作一位心理学家，但尽管如此，鉴于他对心理学领域的重大贡献，人们还是违背了他的“遗愿”，将他归入了心理学家的行列，并由于他对行为主义学派的重大影响而视其为行为主义学派的先驱。
巴甫洛夫的主要著作：《心脏的传出神经》（1883）、《主要消化腺机能讲义》（1897）、《消化腺作用》（1902）、《动物高级神经活动（行为）客观研究20年经验：条件反射》、（1923）《大脑两半球机能讲义》（1927）。