В 90-ті роки ХІХ століття Павлов поставив ряд дослідів з вивчення травлення, які стали класичними. Методи досліджень, запропоновані ним, були новаторськими. Нобелівська комісія оцінила результати дослідів Павлова як відкриття світового значення, і в 1904 році ученому була вручена Нобелівська премія, а ще через три роки він був вибраний в Академію наук Росії. 

    Але справою всього життя Павлова стало вчення про вищу нервову діяльність. Строго науково підійшов він до того, що раніше вважалось заповідним і непізнаваним. В одному із виступів він відмітив, що "мозок, який створив природознавство, сам стає об"єктом цього природознавства". Дослідження Павловим фізіології вищої нервової діяльності (2-ої сигнальної системи, типів нервової системи, локалізації функцій, системності роботи великих півкуль головного мозку і ін. ) спричинили великий вплив на розвиток фізіології, медицини, психології і педагогіки.

    В 20 - 30-х роках Павлов не однократно виступав (в листах до керівництва країни) проти свавілля, насильства і придушення свободи думки в країні.

    В серпні 1935 року в Ленінграді відбувся Всесвітній конгрес фізіологів. Його президентом був вибраний академік Павлов. Делегати конгресу присвоїли йому почесне звання "princeps physiologorum mundi" - з латини "старійшина фізіологів світу". Це був справжній науковий тріумф Павлова, вінець його діяльності.