Im Jahre 1886 wurde Iwan Pavlov Leiter des Instituts für Experimentelle Medizin an der Militärischen Medizinakademie. Für mehrere Jahrzehnte widmete er sich der Forschung auf den Gebieten der Blutzirkulation, der Verdauung und konditionierter Reflexe.
Zu seiner täglichen Arbeit gehörten nun Tierversuche vor allem an Hunden und Katzen. Der Höhepunkt seines Schaffens war der Erhalt des Medizinnobelpreises im Jahre 1904 für seine Arbeiten über die Verdauungsdrüsen.
Im Jahre 1912 erhielt er von der Universität von Cambridge die Ehrendoktorwürde verliehen. Weitere Ehrungen auch in anderen Ländern wie z. B. Frankreich, wo ihn die Medizinische Akademie 1915 auszeichnete, folgten.
Iwan Pawlow wurde nach der russischen Oktoberrevolution von 1917 von Lenin als Forscher vorbehaltlos anerkannt und sogar gefördert.
Iwan Pavlov widmete sich in späteren Jahren zudem auch Untersuchungen auf dem Gebiet der Psychologie und versuchte, mehr über das Verhalten geistig kranker Patienten herauszufinden.