Pavlov päätyi teoriaan koirakokeissaan, joista kuuluisimmassa soitettiin kelloa juuri ennen kuin jauhettua lihana työnnettiin koira suuhun. Aluksi koira ei erittänyt sylkeä ennen kuin se oli todella saanut lihaa. Kokeen edetessä koira oppi yhdistämään kellon äänen ja lihan, ja alkoi erittää sylkeä jo kuullessaan kellon äänen. Lopulta Pavlov totesi, että koira reagoi erittämällä sylkeä vaikkei ruokaa saanutkaan.
Ärsykkeenä voi olla mikä tahansa toimintaan kuulumatonkin tai kuuluva asia kuten ääni, väri tai haju. Tällöin vaikkapa lapsella pelkkä valkoisen takin näkeminen voi saada aikaan pelon tai inhon tunteen, koska mieli yhdistää epämieluisan lääkärikäynnin ja valkoisen lääkäritakin. Behaviorismi, nykyisin klassiseksi ehdollistumiseksi kutsuttu tieteenala, juontuu muun muassa Pavlovin tutkimuksista.
Pavlov oli asettanut tietyt vaatimukset ja hypoteesit kokeelleen, jossa haluttiin saada selville, miten erilaisten ärsykkeiden lisääminen vaikuttaa koiran lisääntyvään syljeneritykseen, joka on tässä psykologisessa terminologiassa käsitelty riippuvana muuttujana (y). Pavlov itse pystyi kontrolloimaan riippumatonta muuttujaa (x), joka tässä tutkimuksessa oli metronomin ääni sekä ajoitukset. Periaatteessa kyse oli vain erilaisista ärsykkeistä. Koirien oli tarkoitus oppia ympäristön säännönmukaisuuksia, eli mitä tapahtuu jos jokin asia muuttuu. Behavioristit arvelevat, että klassisesti ehdollistuva entiteettieet ei voi vaikuttaa omaan käytökseensä, vaan ulkopuoliset ärsykkeet ohjailevat sen toimintaa. Pavlov havaitsi tutkimuksen aikana, että koira alkoi kuolata kuullessaan pelkästään ruokaa tuovan ihmisen askel. Jo tämä sai vanhan refleksin aktivoitumaan, jolloin Pavlov päätti kokeilla koirien ehdollistamista erilaisiin ärsykkeisiin. Hän päätti lisätä ehdottomaksi ärsykkeeksi metronomin, jolloin se laitettiin tikittämään aina ruokaa tuotaessa. Pavlov kiinnitti koiran poskiin sylkeä kerääviä putkia ja asetti metronomin tikittämään toistaen saman sarjan useita kertoja ehdollistaakseen koirat. Varsin pian pelkkä metronomin tikitys laukaisi luontaisen refleksin, lisääntyvän syljenerityksen. Samanlaista ilmiötä kokeiltiin myös muilla ärsykkeillä - soittokellolla, askelten kopinalla tai valomerkein. Tulos oli aina samankaltainen.
Pavlov nimitti koiran reaktiota ärsykkeeseen ehdolliseksi refleksiksi ja piti ehdollistumista oppimisen pääperiaatteena. Hän kehitti koko joukon menetelmiä ehdollisten refleksien voimistamiseksi, heikentämiseksi ja sammuttamiseksi.
Eräässä kokeessa Pavlov ehdollisti koiran erittämään sylkeä aina, kun tämä näki ympyrän. Seuraavaksi koiralle näytettiin ellipsia, muttei annettu ruokaa. Koira oppi pian erottamaan ympyrän ja ellipsin toisistaan. Tämän jälkeen koiralle näytettiin sarja ellipsejä, joista jokainen muistutti hiukan enemmän ympyrää kuin edellinen. Lopulta, kun ellipsit olivat muuttuneet lähes ympyränmuotoisiksi, koiran käytös muuttui dramaattisesti: se alkoi haukkua, näytti hampaitaan ja kieltäytyi kokonaan ottamasta sille tarjottua jauheliha. Ellipsisarjan myötä koira menetti aikaisemmin oppimansa ehdollistuneet refleksit.
