Создал науку о высшей нервной деятельности и формировании рефлекторных дуг; основатель крупнейшей российской физиологической школы; лауреат Нобелевской премии в области медицины и физиологии 1904 года «за работу по физиологии пищеварения». Всю совокупность рефлексов разделил на две группы: условные и безусловные.