Medycyna kliniczna zrobiła dzięki odkryciom Pawłowa wielki krok naprzód. Wszystkie współczesne metody badania i leczenia przewodu pokarmowego opierają się na świetnym materiale fizjologicznym, uzyskanym przez Pawłowa. Te prace Pawłowa kontynuuje jego uczeń Razenkow z wieloma współpracownikami oraz Leporski i Strożesko.
Kiedy Pawłow osiągnął tak wielkie sukcesy w swoich metodach chirurgicznych i fizjologii, sukcesy, które stanowiły epokę w naukach doświadczalnych — miał lat pięćdziesiąt kilka i zdawałoby się, zasłużył już na odpoczynek. Ale Pawłow ani myślał „spocząć na laurach“. Wielki przyrodnik miał teraz nowe, olbrzymie plany i przystąpił do badań nad czynnością mózgu, które stanowią jego główny wkład w dzieło naukowego materializmu.
Poprzednie badania Pawłowa o tyle posunęły naprzód fizjologię, że istniała już możliwość przystąpienia do doświadczeń nad zagadnieniem poruszonym przez Sjeczenowa: jak wyjaśnić refleksy mózgu, który stanowi materialne podłoże zjawisk psychicznych?
Fakt, iż Pawłow przeszedł do tych badań, nie był przypadkowy, stanowił on logiczny dalszy ciąg poprzedniej działalności naukowej. Jeszcze podczas badań nad wydzielaniem soku żołądkowego Pawłow spostrzegł, że psychika zwierzęcia, jego „namiętne pragnienie jedzenia“, jak wyraził się wtedy, jest jednym z ważnych czynników wywołujących wydzielanie soku. Zjawiska psychiczne i fizjologiczne tak ściśle się ze sobą przeplatają w akcie jedzenia, że trudno oddzielić jedne od drugich. Pawłow był obiektywnym badaczem tych zjawisk.
„Podczas badania funkcji wyższego, centralnego układu nerwowego fizjologia powinna zostać wierna tej zasadzie, którą stosuje badając układ obwodowy, tzn. ściśle zestawiać zmiany w świecie zewnętrznym i odpowiednimi zmianami w organizmie
zwierzęcym i ustalić prawa tych stosunków” — głosił Pawłow.
W przeciwieństwie do tego, co myśleli współcześni mu psychologowie-idealiści, Pawłow twierdził, ze wszelkie funkcje zwierzęcia, a więc i funkcje psychiczne, stosują się do ustalonych praw; gdyby zwierzę nie było (używając terminu biologicznego) przystosowane do świata zewnętrznego, gdyby nie umiało ono przyswajać zjawisk zewnętrznych, wcześniej lub później przestałoby istnieć. Gdyby zwierzę unikało jedzenia, zamiast kierować się ku niemu, gdyby np. nie uciekało od ognia, a rzucało się w ogień, szybko straciłoby życie. Zwierzę musi tak reagować na świat zewnętrzny, aby mogło sobie zabezpieczyć istnienie. Ten sposób reagowania zwierzęcia objawia się w ruchach ciała, w jego zachowaniu. Jednakże reakcja ruchowa okazała się niezbyt dogodna do badań fizjologicznych; jest zbyt złożona, składa się z pracy wielu wzajemnie na siebie oddziałujących mięśni, trudno takie reakcje rejestrować i mierzyć, a właśnie pomiar odpowiedniej reakcji zwierzęcia miał się stać podstawą nowej metody, opracowanej przez Pawłowa.
Należało znaleźć prostą reakcję, która dałaby się dokładnie zmierzyć; wybór Pawłowa padł na czynności gruczołu ślinowego, stojącego jakby „u wrót“ przewodu pokarmowego.
Przed Pawłowem fizjologowie badali wydzielanie śliny dopiero od chwili przyjmowania pokarmu, słusznie rozpatrując je jako refleks. Pawłow dowiódł w subtelnych doświadczeniach, że ślina zaczyna się wydzielać nie tylko podczas samego aktu karmienia, ale od razu na widok jedzenia, na zapach jedzenia, na głos kroków podającego pokarm. W odróżnieniu od odruchów, które są wrodzone i wywołują wydzielanie śliny w czasie jedzenia, bodźce oddalone (jak wyżej wymienione: widok jedzenia, zapach, odgłos kroków karmiciela) wywołują wydzielanie śliny dopiero po wielokrotnym powtórzeniu ich wraz z podaniem pokarmu. Te odruchy nie są wrodzone, a wyrabiają się w ciągu życia zwierzęcia.
Pawłow odkrył w ten sposób zasadnicze prawo rządzące funkcjami wyższych oddziałów centralnego układu nerwowego — zasadę zamykania lub tymczasowego związku jako bazy odruchów mózgu. Jeśli dowolny, przedtem poboczny bodziec będzie występował jednocześnie z bodźcem wywołującym zawsze wrodzoną reakcję odruchową, to. jak pokazał Pawłow, w korze dużych półkul mózgowych zachodzą zamykania nowej drogi mózgowej. które wzmacniają się przy powtarzaniu bodźca. Przedtem dowolny poboczny bodziec zaczyna w odpowiedzi wywoływać w zwierzęciu taką reakcję, jaką wywoływał dotąd tylko bodziec bezwarunkowy. W ten sposób dowolna zmiana w świecie zewnętrznym, która przedtem była obojętna dla zwierzęcia, tzw. przez Pawłowa „warunkowy bodziec“ staje się sygnałem następującego po nim bodźca bezwarunkowego, wywołując w odpowiedzi taką samą reakcję u zwierzęcia. To zjawisko nazwał Pawłow odruchem warunkowym.
Odkrycie „złotego prawidła“ powstawania odruchów warunkowych oddało, ogromną dziedzinę zjawisk psychicznych w ręce badacza — materialisty. Pawłow mógł teraz sam tworzyć nowe odruchy warunków i badać, jak one powstają, mógł kombinować różne bodźce i śledzić współoddziaływanie odruchów warunkowych.
Pawłow wykazał, że złożone procesy wyższej działalności nerwowej składają się właściwie z doprowadzenia bodźca i hamowania w korze mózgowej. „Cała wyższa działalność nerwowa, jak się okazuje w odruchach warunkowych, składa się z ciągłego następowania albo, lepiej określając, z równoważenia trzech zasadniczych procesów – pobudzenia, hamowania i ponownego pobudzenia“—uczył Pawłow. Na początku swoich badań odróżniał on kilka rodzajów procesów hamowania, później jednak doszedł do wniosku, że wszystkie one stanowią jeden i ten sam proces. W dalszym ciągu badań znakomity uczony stwierdził, że pobudzenie i hamowanie stanowią jakby dwie strony właściwie jednego procesu nerwowego. „Hamowanie stale następuje za podrażnieniem… jest ono czymś w rodzaju podszewki dla procesu podrażnienia“.