Das Konzept, für das Pavlov berühmt ist, ist der "konditionierte Reflex", den er 1901 mit seinem Assistenten Ivan Tolochinov entwickelte.
Als Pawlow's Werk im Westen bekannt wurde, insbesondere durch die Schriften von John B. Watson, wurde die Idee der "Konditionierung" als automatische Form des Lernens zu einem Schlüsselkonzept im sich entwickelnden Spezialgebiet der vergleichenden Psychologie, und der allgemeine Ansatz der Psychologie wurde Behaviorismus genannt.
Der britische Philosoph Bertrand Russell war ein begeisterter Verfechter der Bedeutung von Pawlow's Werk für die Philosophie des Geistes.
Pavlovs Forschungen über bedingte Reflexe haben nicht nur die Wissenschaft, sondern auch die Populärkultur stark beeinflusst. Der Ausdruck "Pawlows Hund" wird oft verwendet, um jemanden zu beschreiben, der lediglich auf eine Situation reagiert, anstatt kritisch zu denken. Die Pawlowsche Konditionierung war ein Hauptthema in Aldous Huxleys dystopischem Roman "Schöne neue Welt" und auch zu einem großen Teil in Thomas Pynchons "Regenbogen der Schwerkraft".
Im Volksglauben wird angenommen, dass Pawlow das Essen immer durch Läuten einer Glocke signalisierte. In seinen Schriften ist jedoch auch die Verwendung vieler Reize festgehalten, darunter Elektroschocks, Pfeifen, Metronome, Stimmgabeln und eine Reihe von visuellen Reizen. Catania glaubte nicht, dass Pawlow bei seinen berühmten Experimenten jemals tatsächlich eine Glocke verwendet hat. Littman schrieb die volkstümlichen Bilder vorläufig Pawlows Zeitgenossen Wladimir Bechterew und John B. Watson zu, bis Thomas mehrere Hinweise fand, die eindeutig darauf hindeuteten, dass Pawlow tatsächlich eine Glocke verwendete.
Weniger bekannt ist, dass Pavlovs Experimente zum bedingten Reflex an Kindern durchgeführt wurden, von denen sich einige offenbar ähnlich wie die Hunde chirurgischen Eingriffen zur Speichelgewinnung unterziehen mussten.