Koncept, kterým se Pavlov proslavil, je "podmíněný reflex", který vyvinul se svým asistentem Ivanem Tolochinovem v roce 1901.
Když se Pavlovova práce stala známou na Západě, zejména díky spisům Johna B. Watsona, myšlenka "podmiňování" jako automatické formy učení se stala klíčovým pojmem rozvíjející se specializace srovnávací psychologie a obecného přístupu k psychologii nazývaného behaviorismus.
Britský filozof Bertrand Russell byl nadšeným zastáncem významu Pavlovova díla pro filozofii mysli.
Pavlovův výzkum podmíněných reflexů výrazně ovlivnil nejen vědu, ale i populární kulturu. Výraz "Pavlovův pes" se často používá pro označení člověka, který na situaci pouze reaguje, místo aby používal kritické myšlení. Pavlovovské podmiňování bylo hlavním tématem dystopického románu Aldouse Huxleyho Brave New World a do značné míry také v románu Thomase Pynchona Gravity's Rainbow.
Traduje se, že Pavlov vždy signalizoval jídlo zvoněním. V jeho spisech je však zaznamenáno i použití mnoha podnětů, včetně elektrických šoků, píšťalky, metronomu, ladičky a řady vizuálních podnětů. Catania nevěřil, že Pavlov při svých slavných pokusech někdy skutečně použil zvonek. Littman nejistě připisoval populární představu Pavlovovým současníkům Vladimiru Bechtěrevovi a Johnu B. Watsonovi, dokud Thomas nenašel několik odkazů, které jasně říkaly, že Pavlov skutečně použil zvonek.
Méně je známo, že Pavlovovy pokusy s podmíněným reflexem zahrnovaly i děti, z nichž některé zřejmě podstoupily chirurgické zákroky podobné těm, které byly prováděny u psů za účelem odběru slin.