在医学院中，巴甫洛夫选择了研究消化系统的生理状况这个课题，开始长时间观察动物体内的消化活动。
巴甫洛夫曾经做过一个著名的“假伺”实验，使人们观察到狗的消化腺的分泌情况。巴甫洛夫首先把狗的食道经过手术切断，把切断的食 道两端缝在狗脖子的皮肤上，然后让狗饿上一段时间。
一天以后，巴甫洛夫把这只饥饿的狗拉到了实验室，在狗的面前放 一盘鲜肉。狗一见鲜肉，便贪婪地吞了起来，只咀嚼了几下就咽下去了。 可是，不一会儿，咽下去的肉又掉到了食盘里。这是因为狗的食道已被 切断，肉根本进不了胃里。狗依然贪婪地吃着，盘子里的肉始终是那么多。
这只狗徒劳地吃了四五分钟后，奇怪的现象出现了，在通向狗的胃的一根橡皮管里流出了大量的胃液。胃液不断分泌，是狗的第十对脑神经——迷走神经的冲动引起的。巴甫洛夫对这只狗的迷走神经也动过手术，已在上面引出一根丝线。现在，只要他稍微提动一下丝线，就切断了脑与胃之间的联系。结果，虽然狗还是在不断地吞咽鲜肉，但胃液却停止分泌了。
从20世纪初，巴甫洛夫又开始研究高级神经活动，第一次发现了大脑皮层机能的活动规律。他又给一条狗动了手术，在狗的腮帮子上开个小孔，用一根细细的导管安在它的一个唾液腺上。当狗吃东西流唾液的时候，一部分唾液就通过导管流到了外面。巴甫洛夫通过实验发现， 只要食物落到狗的口中，它就会分泌出唾液。如果食物是湿的，分泌的 唾液就少些，食物是干的，分泌的就多些。这种反射活动是狗和其他一切动物生来就有的，巴甫洛夫称它为非条件反射。
后来的实验中，巴甫洛夫又发现一个非常重要的事实：除了食物刺 激口腔会引起唾液分泌以外，任何外界刺激物，如光、声音刺激等也能 引起动物的唾液分泌。
为了通俗、形象地说明这种现象，在一次实验时，巴甫洛夫举起一 只柠檬，对观看实验的学者说：“诸位都知道这是柠檬，我不准备把它 送到你们口中，.只是让大家看一看……”说到这里，所有在场的人的口 中都流出了口水，许多人不自觉地咽了一下，并且笑出声来。巴甫洛夫 接着说:“诸位并没有吃到柠檬，却流出了口水。但诸位又是吃过柠檬的， 知道它很酸，所以一见到它就流出了口水。这种流口水的反射是有条件 的。因此我们称它为条件反射。”
