Основные направления научной деятельности Павлова — исследование физиологии кровообращения, пищеварения и высшей нервной деятельности. Ученый разработал методы хирургических операций по созданию «изолированного желудочка», применил новый для своего времени «хронический эксперимент», позволяющий проводить наблюдения на здоровых животных в условиях, максимально приближенных к естественным.
В результате его работы формировалась новая научная дисциплина — наука о высшей нервной деятельности, в основе которой лежало представление о разделении рефлексов на условные и безусловные. Павлов и его сотрудники открыли законы образования и угасания условных рефлексов, были исследованы разные типы и виды торможения, открыты законы основных нервных процессов, изучены проблемы сна и установлены его фазы, и многое другое.
Широкую известность Павлову принесли его учение о типах нервной системы, которое основывается на представлениях о соотношении между процессами возбуждения и торможения, и учение о сигнальных системах.
Научная работа Павлова оказала влияние на развитие смежных областей медицины и биологии, в том числе в психиатрии. Под влиянием его идей сформировались крупные научные школы в терапии, хирургии, психиатрии, невропатологии.
