انطلقت مسيرة بافلوف العلمية من دراسة علم وظائف الأعضاء، حيث ركز على فهم آليات الهضم من خلال إجراء مئات التجارب على الحيوانات، متابعًا عملية الهضم منذ دخول الطعام إلى الفم وحتى الأمعاء.
أثبت بافلوف أن الهضم عملية معقدة تحت تأثير الجهاز العصبي، وحاز على جائزة نوبل في الطب عام 1904 تقديرًا لأبحاثه في هذا المجال.
كسب بافلوف شهرة عالمية من خلال اكتشاف المنعكسات الشرطية، حيث أظهر في تجاربه مع الكلاب أن ظهور الضوء قبل تقديم الغذاء يتسبب في إفراز اللعاب حتى بدون وجود الطعام.
خلال تجاربه، وضع بافلوف النظرية القشرية للنوم، موضحًا أن النوم يبدأ بتثبيط القشرة الدماغية ويمتد إلى البنى الداخلية التي تتحكم في وظائف الأعضاء.
أسس بافلوف مدرسة علمية مرموقة في علم وظائف الأعضاء في روسيا، واستمرت أفكاره بإلهام دراسات علم الأعصاب وعلم النفس حتى اليوم.