画家描绘的巴甫洛夫的实验室中的情景
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。
1904年，巴甫洛夫因在消化生理学方面的出色成果而荣获诺贝尔生理学和医学奖金，他成为世界上第一个获得诺贝尔奖的生理学家。也是第一个享受的这个荣誉的俄国科学家。
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。通过长期的研究，他发现了大脑皮层机能的活动规律。他创立的动物和人类高级神经活动的学说。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。
