Det koncept som Pavlov är känd för är den "betingade reflexen" som han utvecklade tillsammans med sin assistent Ivan Tolochinov 1901.
När Pavlovs arbete blev känt i västvärlden, särskilt genom John B. Watsons skrifter, blev idén om "konditionering" som en automatisk form av inlärning ett nyckelbegrepp i den framväxande specialiseringen av jämförande psykologi och den allmänna psykologiska inriktning som kallas behaviorism.
Den brittiske filosofen Bertrand Russell var en entusiastisk förespråkare av Pavlovs arbete för sinnesfilosofin.
Pavlovs forskning om villkorliga reflexer påverkade inte bara vetenskapen utan även populärkulturen. Uttrycket "Pavlovs hund" används ofta för att beskriva någon som bara reagerar på en situation i stället för att tänka kritiskt. Pavlovs betingning var ett viktigt tema i Aldous Huxleys dystopiska roman Brave New World och även i stor utsträckning i Thomas Pynchons Gravity's Rainbow.
Det är allmänt känt att Pavlov alltid signalerade maten genom att ringa i en klocka. Men i hans skrifter finns också uppgifter om att han använde många olika stimuli, bland annat elchocker, visselpipor, metronomer, stämgafflar och en rad visuella stimuli. Catania trodde inte att Pavlov någonsin faktiskt använde en klocka i sina berömda experiment. Littman tillskrev preliminärt den populära bilden till Pavlovs samtida Vladimir Bekhterev och John B. Watson, tills Thomas hittade flera referenser som tydligt sa att Pavlov faktiskt använde en klocka.
Det är mindre känt att Pavlovs experiment om den betingade reflexen omfattade barn, varav några tydligen genomgick kirurgiska ingrepp, liknande hundarna, för att samla in saliv.