Na década de 20, ao estudar a produção de saliva em cães expostos a diversos tipos de estímulos palatares, Pavlov percebeu que com o tempo a salivação passava a ocorrer diante de situações e estímulos que anteriormente não causavam tal comportamento (como por exemplo o som dos passos de seu assistente ou a apresentação da tigela de alimento). Curioso, realizou experiências em situações controladas de laboratório e, com base nessas observações, teorizou e enunciou o mecanismo do condicionamento clássico.
A ideia básica do condicionamento clássico consiste em que algumas respostas comportamentais são reflexos incondicionados, ou seja, são inatas em vez de aprendidas, enquanto que outras são reflexos condicionados, aprendidos através do emparelhamento com situações agradáveis ou aversivas simultâneas ou imediatamente posteriores. Através da repetição consistente desses emparelhamentos é possível criar ou remover respostas fisiológicas e psicológicas em seres humanos e animais. Essa descoberta abriu caminho para o desenvolvimento da reflexologia e psicologia comportamental e mostrou ter ampla aplicação prática, inclusive no tratamento de fobias e nos anúncios publicitários entre outras aplicações da medicina e ciências cognitivas.
Foi sepultado no Cemitério de Volkovo em São Petersburgo.
