Il a étudié, en particulier, la digestion et la salivation chez le chien. Il a remarqué qu'en associant la vue de la nourriture à un stimulus (tel un son de cloche) pendant quelque temps, la salivation est ensuite déclenchée par la seule présence du stimulus. Il a ainsi mis en évidence le réflexe conditionnel (ou réflexe conditionné), appelé cour. « réflexe de Pavlov ». (Prix Nobel 1904.)
