外科手术切开实验狗的胃部，并在里面植入一个带瘦管的小囊。这可以让他观察胃反射（狗开始吃食时胃液的分泌），而又不让食物污染胃液。他的发现使其获得1904年的诺贝尔医学奖，1907年，他成为俄国科学院院士，或者专职会员，到达了俄国科学声望的顶峰。
1897至1900之间，在他的胃反射研究的中途，巴甫洛夫注意到了一种奇怪而令人烦心的现象：狗在不是喂食的时候也会分泌出一些胃液和唾液，比如，在比正式喂食时间稍为前一点，它如果看见或者听见喂养者的时候。起初，巴甫洛夫认为这是件烦人的事，因为这会影响到有关消化分泌物的数量的数据。可是，他想到，一定有个什么原因可以来解释，狗为什么会在嘴里甚至附近没有食物时也会产生这样一些液体。一个明显的解释是，狗“意识”到进餐时间快到了，而这个念头会产生分泌物，可是，坚决反对心理学的巴甫洛夫对这些主观的猜想绝不会轻信。
尽管他不太情愿进行这方面的研究，可是，巴甫洛夫最终还是决定去了解一下，因为，在他的观点来看，这完全是个生理学的现象──因为受到看见或者听见经常喂食的人这种刺激而在大脑里面产生的一种反射，该反射引起了“精神性分泌”。1902年，他开始研究这种并非与腺体反应有固有联系的刺激是在什么时候和以怎样的方式引起这种反应。这种现象，他一直研究了一辈子。
巴甫洛夫虽然是位外科专家，却并没有为这项研究花费精力去做一只胃囊。由于狗看到喂食的人时既产生胃液，也产生唾液．在唾液腺体上做一只简单的囊，并把它挂在高处，导入一个收集和记录装置就可以了。狗接受培训后站在桌子上不动，而且因此得到奖赏、抚弄和喂食。由于急于逗人高兴，它往往不需要人告诉它而自己跳到桌上，而且极有耐心地站在上面不动，带着不太紧的套圈，再与一些设备相连。需要用套圈来防止损坏设备。这套设备由一只橡皮管把腺囊与收集容器和记录筒连着。狗面对着一扇带窗户的墙，面对它们的地方，在实验室的里面，有一只喂食桶，可以通过机械装置把食物倒进这只捅里。
食物一到狗嘴里面后，其唾液即开始溢出。由于这是一种不需要培训的反射，巴甫洛夫把食物叫做“非条件刺激”，把这种唾液反应叫做“非条件反射”。可是，要研究的事情是中性的刺激与同样的反射之间的联系。最典型的模式是，实验者在不被狗看到的地方发出一个响声，这样的话，就不会对狗形成信号作用。这样的响声可以通过摇铃，按蜂鸣器制造出来，而且会引起食物向喂食桶倒食，倾倒的时间间隔为5～30秒之后。起先，铃铛的声音或者蜂鸣器的声音只会引起一般的反射──狗竖起耳朵来──但不会出现唾液反射。可是，经过几轮试验之后，仅是这个声音就会使狗的唾液开始溢出。按巴甫洛夫的说法，声音已经变成引起唾液反应的“条件刺激”，而唾液反应则已经成为声音的“条件反射”。
巴甫洛夫及其助手们变换了这个实验的各种形式。他们经常不用声音，而是使灯光闪动，或者在狗可以通过窗户看到的地方转动一个物体，或者操纵某个可以碰触到狗的仪器，或者拉动狗圈某个部位，变换中性刺激与喂食之间的时间间隔等等。在所有的情况下，中性刺激都可以变成条件刺激，可是，其容易程度不太一样。中性的某种气体（不是食物气味）可能需要20多次配对才能成为条件刺激，而一种在狗的视线所及的地方转动一个物体却可能只需要5次配对，一种高声的蜂鸣器只需要一次就可以
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