堪称奇迹的是，这样的巴甫洛夫难以置信地受到了当局的保护。巴甫洛夫用狗做实验。“十月”革命后的粮食紧缺，在食品供应极度紧张的条件下，他的狗从来没有断过粮，以致克雷洛夫院士在街上遇到巴甫洛夫时，曾开玩笑地请求巴甫洛夫把他当作狗带回家。巴甫洛夫利用狗做实验，有了很多重要发现。巴甫洛夫的第一个著名的实验叫做假饲实验，目的是研究消化道工作的情况。
实验是这样做的，他给狗做了手术，从它的食管伸入两条管，一条通向食道，一条通向胃。让狗饿了一天以后，给它进食，盆里放上鲜肉，狗狼吞虎咽地吃了起来，肉咽了下去之后进不到胃里，而是从食道的切口通过管道掉回盆里。狗依旧大口地吃着，四五分钟以后，奇怪的事出现了，从通向胃的管道流出大量的胃液。胃液不断地分泌，这是狗脑迷走神经冲动的结果。巴甫洛夫事先对这只狗的迷走神经做了手术并留下一条丝线，只要他拉一下丝线，迷走神经与胃的联系就被切断。现在他拉动了丝线，尽管狗还在吃肉，但胃液停止分泌。这个假饲实验揭示狗受食物刺激的同时，脑也受到了刺激，脑神经指挥唾液和胃消化液分泌，这是一个连续发生的机制。如果没有这只狗的实验，人是看不到脑对消化液的控制的。
在接下来的实验中，巴甫洛夫又有另一个重要的发现：实际上狗在吃到食物之前，就已经分泌消化液。这并不是吃食物的感觉引起来的，所以巴甫洛夫把这个现象叫做“做因性分泌”，这个现象引起巴甫洛夫的极大兴趣，于是开始 “条件反射”的研究。在条件反射研究中，巴甫洛夫又给狗做了手术，他在狗的颌下开了一个小孔，用一根细管连接在它的唾液腺上。当狗吃东西流唾液时，一部分唾液就顺着小管流了出来。
巴甫洛夫发现，只要给狗喂食物，狗就有唾液分泌：如果食物是湿的，分泌的唾液就少；食物是干的，分泌的唾液就多。这种反射是与生俱来的，他把它称为“非条件反射”。后来，巴甫洛夫又发现一个更重要的现象，除了食物在嘴里刺激口腔会引起唾液分泌外，其他刺激因素如光、声音等都能引起唾液分泌。比如在每次喂食物前，都要打开灯或敲一下铃，然后再喂食，次数多了以后，只要开灯或敲铃，狗都会分泌唾液。他把这个并不是与生俱来的本能叫做“做件反射”，这是后天学习的结果。
1903年4月28日，巴甫洛夫在马德里召开的第14届国际医学会议上宣读了他的实验报告和研究结果，他认为“条件反射”是高等动物和人类对环境做出反应做生理机制。由于消化机制和“条件反射”的重要发现，巴甫洛夫获得1904年的诺贝尔生理学或医学奖，成为这个奖项的第一个获得者。
1888年，巴甫洛夫开始了对狗的消化生理的研究。
1901年首创外科手术法研究狗的消化系统与脑神经的关系，此后直到1936年去世。
在长达36年的研究生涯中，他不停地在做实验。由于对学术的专注，他忽略了自己的衣食住行，即使在十月革命初期生活极端贫困的情况下，他也没有停止过研究。他在学术上的贡献包括心脏的神经功能、消化腺的生理机制及各种条件反射研究；著有《心脏的传出神经》《主要消化腺机能讲义》《消化腺作用》《动物高级神经活动行为客观研究之20年经验：条件反射》《大脑两半球机能讲义》等专著。
直到70多岁，倔强的巴甫洛夫仍然以一个研究者的身份坚持工作。他每天早起乘第一班电车上班，每周工作7天。在体力不支，觉得不久于人世时，他仍旧倔强地认为，自己是一个研究者，决定以“研究者”的方式结束自己的一生。在他生命的最后一刻，他不断地向身边的助手口述各器官衰变、濒临死亡的感觉，他要为一生挚爱的科学事业留下最后一份来自亲身的实验材料。此时好友来探望他，都被他制止，他嗫嗫自语：“巴甫洛夫很忙，巴甫洛夫正走向死亡，巴甫洛夫很忙……”倔强的巴甫洛夫在忙碌中度过一生，在忙碌中离世，享年87岁，自始至终没有离开他的“科学研究”事业。
