У 1890 році, Павлов став директором Інституту експериментальної медицини в Санкт-Петербурзі. Тут продовжив свої дослідження процесів травлення та вивчення функцій печінки, підшлункової залози та інших органів, які забезпечують травлення. Його відкриття законів "умовної рефлексії", що стали відомі як "умовні рефлекси Павлова", були справжньою науковою революцією, що стала значним внеском у фізіологію поведінки.
Він вивчав поведінку тварин і розробив концепцію "двигунів навчання", яка пояснює, як тварини вчаться шляхом асоціацій та зв'язків між різними подразниками. Ці дослідження дали початок новій галузі науки – психології поведінки.
Однак не тільки наукові досягнення зробили Павлова відомим у всьому світі. У 1904 році, під час революції, Павлов зробив внесок великої суми для організації медичної допомоги пораненим. Він відкрив спеціальні госпіталі для поранених, де надавав медичну допомогу безкоштовно. Пізніше, у 1917 році, він був назначений головою комісії з боротьби з епідемією холери в Санкт-Петербурзі.
Після революції в 1917 році, Павлов був обраний президентом Всесоюзної академії наук. Він продовжував проводити наукові дослідження, зокрема займався вивченням механізмів нервової регуляції, а також дослідженням фізіології серцево-судинної системи.