До сорока лет Павлов и его семья постоянно испытывали материальные затруднения из-за скудного жалования и необходимости тратить личные средства на приобретение собак для опытов. В 1890 году Павлов получил, наконец, кафедру фармакологии Военно-медицинской академии, а в 1891-м – и Отдел физиологии только что созданного Института экспериментальной медицины. В 1895 году Павлов стал приемником князя Ивана Романовича Тарханова (Иван Рамазович Тарханишвили, или Тархан-Моуравов, 1846–1908) в качестве профессора физиологии Военно-медицинской академии.
Поскольку Павлов делом своей жизни считал изучение нервных механизмов регуляции, то после известия об открытии Бейлисса и Старлинга (1902) он полностью оставил физиологию пищеварения и перешел к исследованию высшей нервной деятельности. Впервые мир услышал об условных рефлексах из сообщения ученика Павлова в 1901 году, а через год в Мадриде уже сам Павлов доложил о своих наблюдениях на Международном конгрессе физиологов. Новая идея увлекла Павлова настолько, что он запрещал своим сотрудникам даже говорить о физиологии пищеварения и свою Нобелевскую лекцию посвятил не изложению того, за что был награжден, а рассказу об условных рефлексах. Весь остаток своей долгой жизни Павлов служил этой проблеме.
Первая мировая война и особенно Гражданская война в России значительно осложнили работу Павлова. Голодали и сотрудники, и лабораторные животные. Деньги, полученные Павловым в качестве Нобелевской премии, были экспроприированы вместе с банком. Отношения Ивана Петровича с новой властью складывались трудно. По поводу социального эксперимента, производимого в России, он еще в 1918 году говорил, что: “пожалел бы дать на его проведение даже лягушку”. Кафедру Военно-медицинской академии Павлов покинул в 1924 году в знак протеста против увольнения из академии студентов-непролетариев.
Стараясь не допустить отъезда Павлова за рубеж, большевистское правительство создало ему особые условия для продолжения работы. Постепенно центр ее переместился в село Колтуши под Ленинградом, где для Павлова был организован институт (ныне Институт физиологии имени И. П. Павлова РАН). В 1930-е годы Колтуши стали местом паломничества физиологов мира. К концу жизни Павлова десятки научных сотрудников занимались там разработкой проблем высшей нервной деятельности.
В 1935 году в Ленинграде и Москве проходил XV Международный физиологический конгресс, председателем которого был Иван Петрович, и там его объявили facile princeps physiologorum mundi (лат. первый физиолог мира). В торжественной речи к делегатам Павлов в первый и последний раз высказался лояльно по отношению к властям. Его социальная роль была, таким образом, завершена. Еще в 1934 году в знак признания особых заслуг