Er hat aber auch die Grundlagen für die Verhaltensforschung, den Behaviorismus erarbeitet und legte den Grundstein für fast alle neueren Lerntheorien.

Er war der Überzeugung, dass sämtliches Verhalten auf Reflexen beruht und entdeckte das Prinzip der Konditionierung. Dabei unterscheidet er zwischen unkonditionierten, auch natürlich genannten und konditionierten Reflexen, die im Laufe der Zeit erworben werden.

Am Bekanntesten dürfte der Pawlow-Hund und dessen Versuchsaufbau sein. In diesem Zusammenhang stellte Pawlow fest, dass die Speichelsekretion eines Hundes nicht erst mit dem Fressvorgang beginnt, sondern bereits beim Anblick der Nahrung. Pawlow erklärte das Geschehen durch das mehrmalige Zusammentreffen des Anblicks der Nahrung und dem anschließenden Fressvorgang. Irgendwann reicht dann bereits der Anblick aus, um die Speichelsekretion auszulösen. Pawlow bezeichnet dies als konditionierten Reflex.