De volta a São Petersburgo em 1890, é nomeado catedrático de farmacologia na Academia Militar de Medicina. No ano seguinte, cria o Instituto Experimental de Medicina, primeiro departamento de cirurgia a funcionar dentro de um laboratório de fisiologia.
Em 1903 apresenta a teoria dos reflexos físicos provocados artificialmente, portanto condicionados, no congresso mundial de medicina realizado em Madri. A teoria é resultado dos estudos da salivação de um cão, induzida por estímulos externos como luz, som, tato e olfato.
Em 1904 ganha o Prêmio Nobel de Fisiologia e Medicina. Baseado na teoria da evolução das espécies, estuda, em 1909, a possível transformação dos reflexos condicionados ou adquiridos em reflexos incondicionados e, consequentemente, hereditários. Morre em São Petersburgo, então Leningrado.