傳統生理學研究的特色之一，是以活體動物為研究對象；因為生理學家認為，唯有在活體生物身上，才能觀察並記錄到真實的生理現象。為了方便實驗的進行，也為了避免動物承受不必要的痛苦，多數活體實驗都是在麻醉或去除前腦的動物身上進行；這類實驗大多在一天內完成，動物也隨即予以犧牲，因此又稱為「短期」（acute）實驗。

        短期實驗雖然乾淨俐落，但有許多潛在缺點：且不說處於麻醉中的動物是否能表現正常的生理，就連麻醉藥物及手術創傷都可能造成生理變化。因此，短期實驗的結果，不容易排出人為的影響（artifact）。要想解決這個問題，生理學家必須進行較為「長期」（chronic）的實驗，也就是在動物身上先施以必要的手術及各種處理，等動物恢復且習慣之後，再於清醒狀態下進行觀察記錄。如此一來，就可能避免上述短期實驗的缺點。帕甫洛夫於消化生理學的貢獻，也奠基於此。

        十九世紀末的消化生理學家已經知道：食物進入胃以後，會刺激酸性的胃液分泌；然而實驗動物在麻醉失去知覺的狀態下，無法看到、聞到及嚐到食物，也就無法表現所謂食慾的影響。為了要證實在食物還沒有進到胃之前，胃液就已經開始分泌，帕甫洛夫非得使用清醒的動物進行長期實驗不可。

        仗著高人一等的手術技巧，帕甫洛夫將狗的食道及胃各開了幾條瘻管（fistula），通到體外。一方面造成食物從狗口腔吞下後，就從食道瘻管給排出體外，進不到胃裡；再來，胃液的分泌可經由胃瘻管流出體外，以供測定。等實驗狗從手術完全恢復後，帕甫洛夫就可在清醒的狗身上進行實驗，而避開了之前短期實驗的缺失（實驗狗則以人工胃管餵食）。果不其然，帕甫洛夫發現：就算食物根本進不到胃裡，仍然可以刺激胃液的分泌，顯然視覺、嗅覺、味覺等感官刺激可經由神經管道抵達胃，也因此證實了「食慾」（亦即神經系統）對消化的影響。

        接著，帕甫洛夫想要知道：不同種類的食物刺激胃液分泌的能力，是否有所不同？先前食道瘻管的做法，食物進不到胃裡，也就無法探討這個問題；於是，他又進行了更精細的胃部手術，將狗的胃切開一小部份，再縫合成一個獨立的小囊。一方面該小囊與胃本體分離，但仍擁有相同的神經及血管分布；再來，該小囊還有條瘻管通到體外，可供研究者收集其分泌。如此一來，食物進到胃的本體時，不會進入分離的小囊，但該小囊對食物產生的反應，一如胃的本體，因此構成了絕佳的活體生理測定裝置。（將胃分成兩半、以縮小胃容積的類似做法，目前仍用於某些病態肥胖的治療。）

用上這種胃部經過改造的動物，帕甫洛夫進行了一系列嚴格控制的長期實驗。他讓實驗狗分別吃入固定重量的肉類、麵包或是牛奶，然後定時收集胃液的分泌。他發現：肉類可刺激最大量的胃液分泌，為期也最長；麵包類只有短暫刺激胃液分泌的能力，分泌量也最少；奶製品則介於兩者之間。此外，他還發現，不同的動物，因體型、食慾或是不可捉摸的個性差異，會有不同的胃液分泌量，但牠們對於不同食物的反應方式，基本上是相同的。

直到四十好幾才擁有正式教職及獨立實驗室的帕甫洛夫，沒有浪費任何時間，在短短六、七年內，他的實驗室就完成了上述系列實驗，並於 1897 年發表了《主要消化器官功能論文集》（Lectures on the Work of the Main Digestive Glands）一書。帕甫洛夫於書中強調，該論文集的結論：「消化系統是動物這種機器完美適應環境的範例」，係由數十位合作者在數百隻實驗狗身上，進行了數千回實驗所得出的。帕甫洛夫的這番自誇，是有根據的。

有人將帕甫洛夫的實驗室比喻成工廠，是因為在他實驗室工作的人數眾多，單是 1891 至 1904 的十三年間，就有上百人進出。其中原因除了帕甫洛夫本身的知名度外，主要是當時俄國主政者認為，受過科學訓練的醫生會是更稱職的醫生，因此由國家提供資助給任何願意進修兩年的年輕醫生。也因為如此，帕甫洛夫得以擁有許多雙幫忙的手，也使得他的想法更快得以實現。

短短幾年內，帕甫洛夫的論文集就出版了德文、法文及英文版，他也成了舉世知名的生理學家。諾貝爾獎自 1901 年成立後，帕甫洛夫每年都受到提名，而終於在 1904 年獲獎。帕甫洛夫得獎的成就是消化生理的研究，但他在頒獎典禮時所發表的演講，卻是有關制約反射的研究，那是帕甫洛夫研究生涯中開展的新頁，也為他帶來更大的知名度，其影響力至今不衰。