忽然，巴甫洛夫按着赛拉菲玛的脉搏说：“你有一颗健康的心脏，所以脉搏跳得很好。”赛拉菲玛非常奇怪，不解地问：“你这是什么意思？”巴甫洛夫回答道：“要是心脏不好，就不能做科学家的妻子。因为一个科学家，把所有的时间和精力都放在研究工作上，收入又少，又没空兼顾家务。所以做科学家的妻子，一定要有健康的身体，才能够吃苦耐劳，不怕麻烦地独自料理琐碎的家务。”赛拉菲玛立即回答道：“你说得很对，我一定做个好妻子。”
就在这一年，他们结了婚。虽然他们的经济经常拮据，婚后避暑回彼得堡已身无分文。但赛拉菲玛把生活安排得井井有条，使巴甫洛夫能全心全意地工作，回家后得到很好的休息。
在波特金的实验室里，巴甫洛夫独立进行了关于血液循环方面的研究工作。为了研究血液循环，巴甫洛夫在他的早期科学事业中献出了将近15 年的时间。当时他的兴趣主要是集中在两个问题上：血液循环器官靠着反射作用而进行的自动调节以及离心神经对心脏所起的作用的性质。在研究过程中，巴甫洛夫亲自实践了在正常的健康的完整的动物机体身上研究生理过程的方法。巴甫洛夫创造并应用了一种崭新的生理学实验法。这种方法与当时一般人采用的“急性”或活体解剖实验法不同，叫做“慢性实验法”。
在巴甫洛夫以前，许多生理学家常用孤立的、静止的观点来研究动物的一些器官的生理功能，即把某一个需要研究的器官从动物身上迅速取下，置于实验室，在短暂时间内观察研究它的机能；或用麻醉剂、破坏大脑等方法，使动物失去知觉和生存能力，再进行解剖，观察所要研究的器官机能，这就是“急性实验法”，又叫“分析实验法”。这样的方法虽有一定优点，如实验对象简单，取材方便，可很快地获得实验结果等，但它忽视了动物的整体性，因为一个离体的器官或被麻醉的动物都不是正常生活的动物及其器官，不能如实地说明每个器官在动物体内正常的生理机能，特别是不能消除因麻醉而使血液循环器官的神经系统反射活动所受的影响。巴甫洛夫提出了“综合生理学”概念，他的“慢性实验法”采用坚持不懈的训练方法，把活的动物完整地置于正常的环境下，通过长期观察和分析，立足整体，研究有关器官在动物体内正常的机能。他在研究血液循环生理学时，能使经过长久地训练的实验狗习惯地躺在实验台上，不经麻醉，安静地忍受复杂的实验手术，如切开皮肤与皮下组织，暴露动脉，把动脉连接在血压计上，测量血压，等等。
通过这样的实验，研究动物动脉的生理机能，调节血压的机制，以及食物、营养、大量饮水对动脉血压高低的影响，揭示出许多有关心脏、血管等血液循环器官活动的自动调节反射方面的新的重要规律，如他在实验中曾先将动物的迷走神经切断，数天后待通往心脏的阻抑纤维枯萎后，再用电刺激迷走神经，观察血管在神经作用下的适应活动和迷走神经对血压的调节作用。通过这些实验，证明了各血管的神经末梢能迅速而敏锐地感触到动脉血压较明显地增高或降低。由于这些感觉神经末梢信号器发出相应的冲动而产生的反射，心脏的工作和血管通路的状况就起了变化，使动脉血压迅速恢复到原有水平。由此得出结论：有机体内心脏、血管系统经常进行自动调节活动。这些重要规律的发现是对科学的极其宝贵的贡献。
巴甫洛夫对心脏离心神经的研究花了很多精力和时间。1883 年他在《心脏的离心神经》博士论文中确证了心脏离心神经中有一类神经能在心脏跳动次数不变的情况下加强它的收缩，另有一类神经则能变动心脏跳动次数而不变动它的收缩强度。此外，他还设想另一类与之对抗的神经，能减弱和缓慢心脏的收缩。巴甫洛夫揭示了四条独立的神经对心脏功能能发挥阻止、加速、抑制和兴奋作用。这是前人没有发现的。以后，人们把这种神经纤维称为“巴甫洛夫神经”。
巴甫洛夫对血液循环中神经调节问题的研究，大大推动了药物对心血管系统的影响的研究，从而在治疗各种心血管系统疾病方面起了巨大的作用。
这篇重要的论文使巴甫洛夫获得了博士学位、讲师职称和一枚金质奖章，并被选派出国考察两年。这篇论文综合了这一时期巴甫洛夫的成果。
在研究血液循环生理的过程中，巴甫洛夫还有一个卓越的发现：血液循环不经过肺部时，血液很快就凝结了，而经过肺部时，则久久不凝结。他下了结论：当血液流经肺部时，就有某种抗凝的物质混进来。很多年以后，科学家们从肺组织内分离出一种强烈的抗凝的物质，进一步证实了巴甫洛夫的论断。
巴甫洛夫强调神经系统对机体活动过程作用的理论，学术界称为“神经论”，成为后来的科学家建立神经系统机能的理论基础。
巴甫洛夫的科学研究成果是相当出色的，但他在生活上却依然贫困。在《心脏的离心神经》论文通过的那一年，他的妻子为他生了个儿子。夏天，巴甫洛夫没钱让妻儿在彼得堡附近租房避暑，而把他们送到遥远的南方农村，赛拉菲玛的姐妹那里。因凑不够钱买火车票，只好让他们先乘车到梁赞老家，再请父亲帮忙。在漫长的旅途中，巴甫洛夫的爱子病夭在荒僻的乡村里。
有时巴甫洛夫手头没有一个钱，寄宿在实验室，或借住在友人的家中，他的同事和学生想了一个不露声色的办法帮助他：请他系统地讲授关于心脏神经支配的全部课程，然后凑了一笔钱交给他，作为讲课的酬劳。结果，巴甫洛夫分文未留，用全部的钱买了讲这个课程所需要的狗。
1884—1886 年，巴甫洛夫出外考察与研究。在以后的两年中，他到过德国的布累斯拉夫里、莱比锡、海岱山与奥地利的维也纳，在一些著名教授的实验室里进行考察与研究工作。
揭示消化生理的秘密
巴甫洛夫从国外考察归来后，继续做有关消化生理方面的创造性的研究。这个课题，他一直非常感兴趣。早在大学四年级时，他就发表过关于消化系统研究的第一篇科学论文，到他单独领导实验室后，就把这一研究工作推向了纵深。他从1879 年到1897 年用了18 年的时间集中研究这方面的问题。1906 年到1911 年他又进一步加强这方面的研究工作。
研究消化生理的过程是很困难，大多数的消化液汁（如胃液、胰液、胆汁、肠液），只在食物进入胃肠道时才分泌出来；而当食物移动时，这些消化液又互相混合，很难确定它们的成分与作用。在巴甫洛夫以前，消化生理学是生理学中一个落后的领域，以前的学者只对一些消化腺活动及整个消化过程活动的规律性有些模糊的概念，例如某些生理学家当时就认为胃腺和胰腺没有分泌神经。巴甫洛夫创造了关于消化系统的一整套著名的外科手术，经过长期反复的实验和研究，获得了关于消化系统生理学的基本的和切实可靠的材料。
巴甫洛夫在健康的动物身上安装瘘管，如胰腺瘘、唾液腺瘘、输胆管末端瘘等。这些瘘管是通向几乎整个消化道的“窗口”。通过这些“窗口”，可以精确地观察各种腺体的分泌活动，收集消化液供全面研究之用。
1889 年巴甫洛夫成功地做了一个著名实验。他在安装胃瘘的狗的颈部割断食管，将管口缝在颈部皮肤的创口上，等手术后狗已恢复和健康的狗没有多少差别时，就进行“假饲”试验，给狗吃肉、吃面包或其他食物，咽下去的食物自食管切断处落下，并未进入胃部。但假饲开始几分钟后，胃液分泌也就开始了，且大量迅速增加能持续几十分钟乃至几小时。如果切断狗的迷走神经，假饲即不再引起胃液的分泌通过实验，巴甫洛夫得出如下结论：食物先引起味觉器官的兴奋，这种兴奋通过味觉神经传至延髓，而后再由延髓通过迷走神经传至胃腺，也就是进行着从口腔到胃腺的反射。把两根迷走神经切断，自延髓至胃腺的兴奋通道中断，假饲时胃腺便没有反应。
后来用类似的实验证明胰腺和胃腺等主要消化腺分泌都受神经的调节支配。巴甫洛夫的经典性实验在重要的理论和实际问题方面把生理学引上了正确的道路。
巴甫洛夫的实验室可以制造胃液，每天大约能收集到20 公升的胃液。这些胃液经过过滤去除气味和杂质后，卖给医院。这样，不仅使胃酸过低或胃液缺乏的病人得到治疗，又可以用出售胃液的收入购买实验用品和动物。当时，彼得堡一个大药房老板曾向巴甫洛夫提出购买制造胃液的专利权，企图高价出售牟取暴利，遭到巴甫洛夫的严词拒绝。实验室的胃液仍按原来的低价出售。
1890 年，巴甫洛夫被任命为军医学院的药物学副教授。第二年，院方为他布置了一个实验室，并配备了助手，使他工作的物质条件有了很大的改善。
这时，巴甫洛夫可以从事比较复杂而费用比较浩大的工作了。
为了说明胃中的消化过程，巴甫洛夫对“假饲”的结果从来就没有满意过。他将收集到的胃液加热到体温的程度，投入食物，便可以看到它们消化的过程。但是，这样还不能全面了解胃的功能，因为它看不出真正的食物进入胃腔后胃液是怎么分泌的。1893 年，巴甫洛夫首次想到，从胃壁裁开一小块，把它缝合成一个与胃腔隔开的盲袋状小囊，小囊的开口在腹部皮肤之外。
这个小囊与大胃的胃腔之间由胃内壁粘膜隔开，食物通过大胃时不会掉进小囊。但小囊与大胃之间保持着血液循环和神经联系，因此，从小囊开口可以得到纯净的胃液，而小囊的胃腺分泌活动就像一面镜子一样反映出整个胃的胃液分泌情况。制造这样一个小囊，曾经遇到许多技术上的困难，耗费了半年多时间，死了30多条狗。一些同事都认为不可能成功了，劝巴甫洛夫放弃这个设想。但他坚持下去，终于获得成功。1894 年，巴甫洛夫成功地完成了这个著名的实验，制成分离的小胃。人们把这个小囊称作“巴甫洛夫小胃”，或简称为“巴氏小胃”。
在安装小胃的狗身上进行的许多实验证明：被吸收的食物数量、种类和胃液数量有密切关系。消化腺使自己的活动性质以及分泌液的物质极其精确地适应于食物的量、类别和质。这种实验获得了关于消化腺分泌的全过程和消化液成分的基本材料，为搞清神经系统对整个消化过程的调节机制奠定了基础，对于营养学和医学有重大价值。
从1895 年起。巴甫洛夫转向更多地研究其他消化腺和消化过程的整个联系。经过多年坚忍不拔的努力，巴甫洛夫终于揭开了消化生理的秘密，阐明了完整机体在正常生活条件下消化机能的内在规律；他所创造的慢性实验法，不仅使消化生理学焕然一新，也促进了整个生理学的改造和发展。
1897 年，使他成名的著作《主要消化腺活动讲义》出版了。这部著作是巴甫洛夫20年来实验室工作的总结。这本著作出版后，立刻在国外被译成好几种外国文字，几千封祝贺信从世界各地雪片似地飞来。这一年，巴甫洛夫终于获得了军医学院生理学正教授的职位。
1904 年，巴甫洛夫由于在消化生理学方面的卓越成就而荣获诺贝尔奖金。他是世界上第一个领受诺贝尔奖金的生理学家，也是第一个领受诺贝尔奖金的俄罗斯科学家。但由于巴甫洛夫具有民主主义思想，支持青年学生的革命活动，受到沙皇官吏的敌视。他申请过彼得堡大学（谢切诺夫离去后出缺）生理学讲座，可是他的申请遭到了拒绝。巴甫洛夫很感悲伤，他感到遭受屈辱的苦味。沙皇政府的大臣吉里亚诺夫拒绝批准他担任托姆斯克大学的生理学讲座。由于另一个大臣的出面请求，吉里亚诺夫竟把这个职位给了不出名的梵里基。这件横行的事件引起了医学界进步人士的抗议。《医生》报上的一篇文章说“对于一个动物学博士梵里基被任命担任托姆斯克大学的生理学讲座，原来准备任命医学院生理学讲师巴甫洛夫来担任这个职位的计划并未得到实现，我们不能不表示深切的遗憾。巴甫洛夫曾经长时期被公认为俄国最好的生理学家之一，而且这里有很多理由可以证明他的优越资格，他不仅是一位医学博士，而且还是一位自然科学硕士，此外他又在波特金病院里不断地工作，并在进行工作中辅导别人。我们还知道，不任命巴甫洛夫，已经使在这类事件中极有经验的公正人士像伊·米·谢切诺夫教授都感到惊奇”。
后来，生理学家巴甫洛夫先后被托姆斯克大学、华沙大学选为物理学讲座的教授，但他都没有去。不久（1890 年），他被任命为军医学院药物学教授。在这个职位上他工作了多年，直到转为该院生理学讲座为止。巴甫洛夫主持这个生理学部门连续长达30 年之久。
1891 年，巴甫洛夫受聘组织并主持新设的实验医学研究院的生理学部门，这是他个人一生和科学事业中的一个重要事件。他做这个部门的主任有45 年之久，一直到他一生的结束。关于消化腺的典范实验，主要是在这里进行的，这个实验把他的名字传遍全世界。接下来巴甫洛夫关于条件反射的研究工作，大部分也是在这里做的。这一研究工作，使他的名字永垂不朽，而且为他的祖国科学界赢得了荣誉。
巴甫洛夫的科学成就对沙皇政府并没有起过重要作用，他所有的科学成就在国内国外被承认了很久才受到沙皇俄国官方机关的正式承认。被国内外科学家公认的杰出的生理家在46 岁那年才当上生理学教授。1901 年，巴甫洛夫被选为科学院通讯院士。他成为科学院正式院士，也是在他获得诺贝尔奖金3年以后的事情。在理论科目的主任中间，只有巴甫洛夫不得享用政府住宅。虽然官吏慑于巴甫洛夫在全世界的生理学威望，不得不以虚伪的殷勤态度对待他，但他们始终不断地对这位全世界闻名的“俄罗斯伟大生理学家”进行阴谋，他们一贯煽动各种‘上流社会’的妇女反对巴甫洛夫在动物身上所作的实验，认为这是“罪恶”。正是由于她们的反对，使巴甫洛夫在出力最大的俄罗斯医师公会选举遭到失败。
科学是没有国界的，巴甫洛夫的成就为世界各国所公认。1907 年，英国皇家学会选他为最高级院士和外国籍会员。从此，牛津大学和其他各国大学选派优秀学生，前往追随巴甫洛夫就学。在他主持的研究部门里先后有300多位国内外的生理学家和医学家来学习。1908 年后，巴甫洛夫每讲授一小时课程的讲义，都当即被译成英、德、法等国文字分发给各国学府。