Het concept waarvoor Pavlov beroemd is, is de "geconditioneerde reflex" die hij in 1901 samen met zijn assistent Ivan Tolochinov ontwikkelde.
Toen het werk van Pavlov in het Westen bekend werd, met name door de geschriften van John B. Watson, werd het idee van "conditionering" als een automatische vorm van leren een sleutelbegrip in het zich ontwikkelende specialisme van de vergelijkende psychologie, en de algemene benadering van de psychologie die het behaviorisme wordt genoemd.
De Britse filosoof Bertrand Russell was een enthousiast pleitbezorger van het belang van Pavlovs werk voor de filosofie van de geest.
Pavlov's onderzoek naar voorwaardelijke reflexen heeft niet alleen de wetenschap, maar ook de populaire cultuur sterk beïnvloed. De uitdrukking "de hond van Pavlov" wordt vaak gebruikt om iemand te beschrijven die alleen maar reageert op een situatie in plaats van kritisch na te denken. Pavloviaanse conditionering was een belangrijk thema in Aldous Huxley's dystopische roman Brave New World, en ook in grote mate in Thomas Pynchon's Gravity's Rainbow.
Algemeen wordt aangenomen dat Pavlov het voedsel altijd signaleerde door het luiden van een bel. Zijn geschriften vermelden echter ook het gebruik van vele stimuli, waaronder elektrische schokken, fluitjes, metronomen, stemvorken en een reeks visuele stimuli. Catania geloofde niet dat Pavlov ooit echt een bel gebruikte in zijn beroemde experimenten. Littman schreef de populaire beeldspraak voorzichtig toe aan Pavlovs tijdgenoten Vladimir Bekhterev en John B. Watson, totdat Thomas verschillende referenties vond waarin duidelijk stond dat Pavlov inderdaad een bel gebruikte.
Het is minder bekend dat Pavlovs experimenten met de voorwaardelijke reflex ook betrekking hadden op kinderen, van wie sommigen blijkbaar net als de honden een chirurgische ingreep ondergingen om speeksel af te nemen.