ปาฟลอฟได้อุทิศตนเพื่อวิชาสรีรวิทยาและประสาทวิทยาอย่างมากมาย งานส่วนใหญ่ของเขาเกี่ยวกับการวิจัยด้านพื้นอารมณ์แต่กำเนิด (temperament) , การวางเงื่อนไขแบบดั้งเดิม (classical conditioning) และกิริยารีเฟล็กซ์ (reflex actions)

เขาได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการย่อยอาหารซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาหรือการแพทย์ในปี ค.ศ. 1904[5] การทดลองของเขาเกี่ยวกับการผ่าตัดเพื่อแยกส่วนของระบบย่อยอาหารในสัตว์ การตัดมัดประสาทแล้วสังเกตผลต่อทางเดินอาหาร และการเจาะรูจากภายนอกเข้าไปยังอวัยวะในทางเดินอาหารเพื่อศึกษาสิ่งที่อยู่ภายในอวัยวะนั้น การทดลองดังกล่าวเป็นพื้นฐานของงานวิจัยหลายชิ้นที่เกี่ยวกับระบบย่อยอาหาร

งานวิจัยเกี่ยวกับกิริยารีเฟล็กซ์ โดยเฉพาะปฏิกิริยาต่อความเครียดและการเจ็บปวดอย่างไม่ตั้งใจ ปาฟลอฟได้นิยามพื้นอารมณ์แต่กำเนิด 4 ประเภทภายใต้การศึกษาในขณะนั้น ได้แก่ ซึมเชื่อง (phlegmatic) , อารมณ์เสียง่าย (choleric) , ร่าเริง (sanguine) , และเศร้าโศก (melancholic) ปาฟลอฟและนักวิจัยของเขาได้สังเกตและเริ่มศึกษาการตอบสนองทางธรรมชาติของร่างกายที่เรียกว่า "shutdown" เมื่อถูกกระตุ้นโดยความเครียดหรือความเจ็บปวดอย่างมหาศาล ที่เรียกว่า transmarginal inhibition (TMI) งานวิจัยดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าบุคคลในแต่ละพื้นอารมณ์จะตอบสนองต่อสิ่งเร้าแบบเดียวกัน แต่แตกต่างจะใช้เวลาตอบสนองแตกต่างกัน เขากล่าวว่า "ความแตกต่างของพื้นฐานแต่กำเนิด .. คือระยะเวลาเร็วเท่าไรที่เขาถึงจุด shutdown และคนที่ถึงจุด shutdown เร็วโดยพื้นฐานจะมีระบบประสาทต่างชนิด" (that the most basic inherited difference. .. was how soon they reached this shutdown point and that the quick-to-shut-down have a fundamentally different type of nervous system.) [6]

คาร์ล จุง (Carl Jung) นักจิตวิทยาได้นำงานของปาฟลอฟเกี่ยวกับ TMI มาสานต่อ และนำพื้นอารมณ์แต่กำเนิดของมนุษย์มาเชื่อมกับการสังเกตชนิดการ shutdown ในสัตว์ เขาเชื่อว่าบุคคลที่สนใจแต่ตัวเองจะไวต่อสิ่งกระตุ้นมากกว่า และถึง TMI เร็วกว่าคนที่สนใจบุคคลอื่น สาขาการวิจัยด้านนี้เรียกว่า highly sensitive persons

วิลเลียม ซาร์แกนท์และคนอื่นๆ ได้วิจัยต่อเกี่ยวกับการวางเงื่อนไขทางจิตใจ เพื่อการปลูกฝังความจำและการล้างสมอง