Fu proprio presso l'Istituto di Medicina Sperimentale che Pavlov fece la maggior parte delle sue ricerche sulla fisiologia della digestione. È qui che sviluppò il metodo chirurgico dell'«esperimento cronico», con ampio uso di fistole artificiali. Ciò permise l'osservazione continua delle funzioni dei vari organi in condizioni relativamente normali. Questa scoperta aprì una nuova era nello sviluppo della fisiologia; infatti fino a quel momento il metodo principale utilizzato era stato quello dell'«acuta vivisezione», che consisteva nel processo di analisi su corpo morto. Ciò significa che per fare ricerche sul funzionamento di un organo era necessario interrompere la sua funzionalità e le sue interrelazioni tra esso e l'ambiente. Tale metodo era ovviamente inadeguato e aveva ostacolato lo sviluppo di tutta la scienza medica. Con il suo metodo di ricerca, Pavlov aprì la strada a nuovi progressi nel campo della medicina teorica e pratica. Con estrema chiarezza dimostrò che il sistema nervoso svolgeva un ruolo dominante nel regolare il processo digestivo, e questa scoperta fu di fatto la base della moderna fisiologia della digestione. Pavlov rese noti i risultati delle sue ricerche attraverso delle lezioni del 1895, pubblicate poi con il titolo “Lektsii o rabote glavnykh zhelez pishchevaritelnyteh” ("Lezioni sulla funzione delle principali ghiandole digestive", 1897).