V roce 1879 obdržel Pavlov lékařský titul a o dva roky později získal po obhajobě své disertační práce O odstředivých nervech srdce titul docenta. V roce 1887 byl Pavlov povýšen na dvorního radu a v roce 1890 jmenován profesorem farmakologie na Vojenské lékařské akademii v Petrohradě. Následně byl pověřen mecenášem Institutu experimentální medicíny, princem Alexandrem Petrovičem Oldenburským, o zřízení fyziologického oddělení. To pak vedl až do své smrti. Krátce po zřízení oddělení popsal fenomén psychické sekrece slin u psů. Dospěl k rozlišení dvou typů reflexů. Reflexů vrozených a podmíněných. Tímto objevem položil základy mechanisticky orientované psychologie.
V práci s názvem Příspěvky k funkci hlavních trávicích žláz Pavlov publikoval své závěry z oblasti fyziologie zažívacího traktu. Roku 1903 vydal Experimentální psychologii a psychopatologii zvířat. Své veškeré objevy nakonec shrnul v roce 1923 ve sborníku Podmíněné reflexy.
Ivan Petrovič Pavlov, který byl v roce 1904 vyznamenán Nobelovou cenou za fyziologii a medicínu, zemřel 27. února 1936 v Leningradě na bronchopneumonii, tedy na zánět v důsledku vniknutí bakterií do plic.