1878年至1890年，巴甫洛夫重点研究血液循环和神经系统作用的问题，当时，神经系统对于许多器官的支配作用和调节作用还没有被人们清楚地认识。在极为恶劣的工作条件下，巴甫洛夫坚持研究。他发现了胰腺的分泌神经。不久，他又发现了温血动物的心脏有一种特殊的营养性神经，这种神经只能控制心跳的强弱，而不影响心跳的快慢。科学界人士把这种神经就称为“巴甫洛夫神经”。巴甫洛夫自此开辟了生理学的一个新分支——神经营养学。1883年写成“心脏的传出神经支配”的博士论文。获得帝国医学科学院医学博士学位，讲师职务和金质奖章。
1884-1886年期间，赴德国莱比锡大学路德维希研究室进修，继续研究心脏搏动的影响机制。此时，他提出心脏跳动节奏与加速是由两种不同的肌肉在进行，而且是由两种不同的神经在控制。1886年，他自德国归来后重回大学是实验室，继续进行狗的“心脏分离手术”。1887年，他逐渐将研究的方向转向人体的消化系统。从1888年开始，巴甫洛夫对消化生理进行研究。他发明了新的实验方法，不是用被麻醉的动物做急性实验（每次实验完了，动物也就死掉了）而是用健康的动物做慢性实验，从而能够长期观察动物的正常生理过程。他还创造了多种外科手术，把外科手术引向整个消化系统，彻底搞清了神经系统在调节整个消化过程中的主导作用。他还发现分布在胃壁上的第十对脑神经迷走神经与胃液的分泌有关。用同样的方法分泌胃液，迷走神经切断，就不再分泌。但如果不假饲，只刺激迷走神经，也能分泌胃液。是什么东西对迷走神经产生了刺激？原来味觉器官感受到了食物刺激，便会通过神经传给大脑，通过大脑传给迷走神经让胃液分泌。这就是条件反射学说。为此他领取了“诺贝尔奖”的生理学医学奖。他是第一个享受的这个荣誉的俄国科学家。巴甫洛夫因在消化生理学方面的出色成果而荣获1904年诺贝尔生理学和医学奖金，成为世界上第一个获得诺贝尔奖的生理学家。
巴甫洛夫·伊凡·彼德罗维奇在实验
从1903年起，巴甫洛夫连续30多年致力于高级神经活动的研究。通过长时间的研究，他发现了大脑皮层机能的活动规律。巴甫洛夫创立的动物和人类高级神经活动的学说，给唯心主义心理学以致命的打击，为创立科学的唯物主义心理学奠定了基础。晚年的巴甫洛夫转向精神病学的研究，认为人除了第一信号系统（即对外部世界直接影响的反应）外，还有第二信号系统，即引起了人的高级神经活动发生重大变化的语言。巴甫洛夫的第二信号系统学说解释了人类所特有的思维生理基础。
十月革命的初期，俄国人民生活极端贫困但巴甫洛夫并未停止研究。
巴甫洛夫是专心投入学术研究的典型学者，只专心研究，不注意衣食住行生活细节。他结婚时即同他妻子约定，妻子不干涉他的研究，他不负责家庭事务，并向妻子承诺，不饮酒、不打牌、不应酬，每年9月至次年5月，每周工作7天，只有暑假陪妻子到乡下度假。70岁以后，巴甫洛夫每天仍乘电车上班，有次电车尚未停稳，就从车上跳下来，跌倒在地，路旁一位老妇人惊叫说：“天啊！看这位天才科学家连电车都不会搭！”巴甫洛夫的工作热忱一直维持到逝世为止，最后他在病中挣扎起床穿衣时，因体力不支倒在床上逝世。
巴甫洛夫逝世后，苏联政府在他的故乡梁赞建造了巴甫洛夫纪念馆，并设立纪念碑。
