सन् १८९० में ये सेंट पीटसबर्ग में प्रायोगिक आयुर्विज्ञान संस्था के कायिकी विभाग के निर्देशक नियुक्त हुए तथा सन् १८९७ में आयुर्विज्ञान अकादमी में प्रोफेसर बना दिए गए। सन् १९०४ में इन्होंने नोबेल पुरस्कार पाया तथा सन् १९०७ में ये रूस की वैज्ञानिक अकादमी के चार सदस्यों में से एक चुने गए। इसी वर्ष इंग्लैंड की रॉयल सोसायटी ने भी इन्हें अपना वैदेशिक सदस्य चुना तथा सन् १९२८ में ये लंदन के रॉयल कॉलेज ऑव फिज़िशीयंस के संमाननीय सदस्य बनाए गए। जीवन में इन्हें अनेक संमान मिले।

इन्होंने प्रदर्शित किया कि कुछ अवस्थाओं में शरीर के किसी अंग का उद्दीपन सामान्य उत्तेजकों के सिवाय ऐसे अन्य उत्तेजक भी कर सकते हैं जिनका साधारणतया उस अंग से कोई संबंध नहीं होता। यदि किसी कुत्ते को एक ही मनुष्य बराबर भोजन देता रहता है, तो जब वह भोजन बिना भी उसके पास आता है तो कुत्ते में जठररस का स्राव होना आरंभ हो जाता है। पैवलॉफ ने ऐसे प्रतिवर्तों के प्रबलन और निरोध के नियमों का, जिनसे प्राणियों के व्यवहार का निश्चय होता है, विस्तृत अध्ययन किया।

इन्होंने उच्च महत्व के अनेक प्रपत्र और ग्रंथ रूसी भाषा में लिखे, जिनका फ्रेंच, जम्रन तथा अंग्रेजी भाषाओं में अनुवाद हुआ है।

८६ वर्ष की आयु में, इस संमानित महापुरुष का देहांत हुआ। इसकी महानता इसी से सिद्ध है कि सोवियत रूस के जनस्वास्था के कमीसार ने उनके शव को कंधा दिया था।