心理學研究的歷史，大約與生理學一樣悠久；心理學感興趣的是心靈（如今稱為意識）的活動方式，生理學則專注於身體的運作機制。心理與生理的分野，可說是心物二元論的最佳例證之一。由於心靈意識的不可捉摸，所以早先的心理學研究，都以觀察及內省為主，與思辯論證為主的哲學差別並不大，而與屬於實驗科學的生理學，有相當大的差距。

要說生理學者對意識不感興趣，是騙人的；從古自今，不只一個身體器官（好比胃和心）曾被視為心靈的所在，最終則定於大腦。然而心靈究竟在腦中什麼位置，也爭議不斷；有人認為它存身於流動的腦脊髓液，有人則主張位於腦中不成對的構造－－松果腺，這些說法終究都淪為笑談。至於大腦如何產生意識，更是困擾了有史以來所有智者。歸根究柢，問題出在意識及行為的研究，缺少可行以及可供驗證的實驗方法，這一點在不會說話的動物身上，更是如此。因此，嚴謹的生理學家一向避開心靈與意識的問題，帕甫洛夫自不例外。

然而，帕甫洛夫卻在他的實驗狗身上發現了一樁生理現象，讓他逐漸扭轉了這種想法。由於狗的唾液腺分泌十分敏感，也比胃液容易收集，因此帕甫洛夫利用了唾液分泌的有無及數量多寡，當作「食慾」的指標。他發現，狗只要看到有食物在面前，就算還沒有吃入口中，唾液就開始分泌，一如之前他在胃液分泌的發現。尤有甚者，他還發現當狗看到固定餵食的工作人員走近時，也會分泌唾液。顯然，狗從經驗中學習到，看到某人就等於看到食物一般。

帕甫洛夫將食物造成的唾液分泌，稱為「非制約反射」（unconditioned reflex，或譯「非條件反射」），因為這種反射可說是天生的，不需要學習。反之，他將其他與食物產生關聯的人事物所引起的唾液分泌，稱作「制約（條件）反射」（conditioned reflex），因為這種反應需要與非制約反射進行多次配對，才會產生。如果原來給狗餵食的人員一連幾天出現時都沒有帶來食物，那麼狗的這項制約反射行為也就會逐漸消退（extinction）。

經由測定唾液分泌這種簡單的生理反應，帕甫洛夫得以針對心靈意識的黑箱作業進行探討。他發現，狗不但可對具有特定物理性質的物件產生制約反射，牠們甚至還可以分辨不同的頻率、色澤以及形狀。例如他可以訓練狗對每分鐘跳六十下的節拍器反應，但對跳四十下的同一個節拍器則不反應。

由於狗的制約反射很容易受到其他的外來刺激干擾，為此帕甫洛夫還設計了全新的建築，不單牆壁厚實，外圍有壕溝環繞，實驗室並有防震設計。位於其中的實驗狗，除了接受引起制約反射的刺激外，所有其他的聲光刺激一律加以隔絕，甚至人員的進出都盡量避免，餵食及實驗進行都由特別設計的機器代勞，包括唾液的收集在內。這種實驗室有個特別的名稱，叫做「寂靜之塔」（Tower of Silence）。

事實上，帕甫洛夫所發現的，是一種記憶與學習的生理表現，離心靈意識的了解還有相當距離，但對於二十世紀初方才萌芽的神經科學而言，卻是了不起的突破。科學家終於有了客觀的方法，可以研究心靈的運作。對於長期受到宗教信仰箝制的社會而言，試圖以物質的原理來解釋心靈的運作，可是對上帝的大膽僭越；為此，帕甫洛夫還與信仰虔誠的妻子起過爭執。

除了發現實驗狗可以學會不同的制約反射外，帕甫洛夫還發現不同的狗會出現不同的反應：有的狗只要重複幾次就可以建立反射，有的則一試再試，仍然失敗。帕甫洛夫甚至把這樣的實驗結果，推廣到人類身上；他認為比起德國及英國人來，俄國人的神經系統就不夠平衡，可能因此導致了俄國社會的不夠進步。他在晚年，還進行了改進人類神經系統的研究計畫；可想而知，那是太過單純且一廂情願的想法。

獲得了諾貝爾獎之後的十年間，帕甫洛夫的聲望及事業達到了巔峰；他身兼三個實驗室的主持人，除了本國的學生及助手外，許多科學家遠從德國、法國、英國以及美國來到聖彼得堡跟隨他學習，新發現也不斷湧現。他的家庭經濟寬裕，四個子女也各有所成，帕甫洛夫可以說是意氣風發、躊躇滿志。他萬萬沒有想到，1914 年爆發的第一次世界大戰以及三年後的布爾什維克革命，即將把他的世界作了天翻地覆的變動。