W tym samym roku dostał nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za wieloletnie badania nad fizjologią trawienia – tym samym został jej pierwszym rosyjskim laureatem.

Na tym samym kongresie madryckim Pawłow zasygnalizował ciekawe zjawiska związane z działalnością układu nerwowego, rozwiązaniu których poświęcił następne 35 lat życia. Już wtedy pojawiły się takie pojęcia jak wzmocnienie, odruch bezwarunkowy, odruch warunkowy będące podstawą teorii warunkowania a w szczególności warunkowania klasycznego.

Rewolucja październikowa oraz pierwsze lata po niej spowodowały zastój w rosyjskiej nauce. Stabilizacja sytuacji pozwoliła władzom Rosji Radzieckiej zwrócić uwagę na naukę. Wkrótce Pawłow, zwłaszcza gdy odmówił wyjazdu na stałe do Sztokholmu na zaproszenie Szwedzkiej Akademii Nauk, gdzie obiecywano mu postawienie specjalnie dla jego badań nowego instytutu, stał się ulubieńcem władz, a jego badania uzyskały priorytet. W 1925 został kierownikiem Instytutu Fizjologii Akademii Nauk ZSRR.

Miejsce spoczynku Został pochowany w Leningradzie, na Cmentarzu Wołkowskim w części dla zasłużonych zwanej Literackie mosty.

Upamiętnienie Na jego cześć nazwano planetoidę (1007) Pawlowia.