1886年，37岁的巴甫洛夫回到俄国，他一边进行着研究，一边试图向圣彼得堡大学申请教授职位，但遭到了拒绝。一家人的生活一度陷入困境，就连能干的谢拉菲玛也不得不抱怨经济状况的糟糕。正在这时，巴甫洛夫研究的一批蝴蝶不明原因地死掉了，面对妻子的抱怨，他却说道：“我的蝴蝶都死掉了，你却因为这样的小事来烦我！”

不过，凭借出众的个人能力，他终于在1890年成功受聘为医学院的药理学教授，有了丰厚的报酬，一家人的经济情况也得到了改善。

在过去拮据的4年里，巴甫洛夫也没有闲着，他进行了大量的实验，并对人类医学事业做出了突出的贡献。在以前的生理学实验中，研究者往往对动物注射麻醉后进行急性实验，对组织器官直接进行破坏性的切割，从而造成实验动物直接死亡，无法进行长期的观察。而巴甫洛夫则凭借高超的手术技巧，对动物的器官进行实验改造，不仅延续了动物的存活时间，还能长期观察动物的生理过程。

1888年，39岁的巴甫洛夫进行了一场著名的“假饲”实验，他和助手切断了狗的食道，在狗身上开了一个瘘管，插入了一根直通往胃部的管子。虽然狗在进食的过程中，食物永远不可能到达胃部，但他们却通过管子收集到了胃分泌的消化液。这证明，当狗进食时，无论胃内是否存在食物，它都会分泌消化液。

在后续的实验中，巴甫洛夫发现，仅仅在狗饥饿的时候向它展示食物，也能收集到消化液。这说明，胃分泌消化液可能和胃本身无关联，可能只和神经有关联。于是他切断了支配狗胃的迷走神经，管子里便再也没有收集到胃的消化液。巴甫洛夫的“假饲”实验，充分证明了神经系统对胃的支配作用。

1894年，巴甫洛夫改进了当初在德国进修时所做的狗胃部分切除实验。通过庖丁解牛般的手术能力，巴甫洛夫切除部分狗胃的同时，保留了神经连接。这样当狗进食时，便可以通过体外的这一部分胃，直接观察到消化液的分泌。巴甫洛夫切除的这部分胃，被称为“巴甫洛夫袋”。通过相似的实验，他观察了唾液腺、胆管、胰脏等多种消化器官，最终证明所有内脏都是受神经系统支配的。

巴甫洛夫对消化系统的相关生理学实验，不仅弄清了神经系统在消化系统中的主导作用，而且他创造的多种手术技术也促使了外科手术的快速发展，让风险极高的人类消化道外科手术逐渐成为可能。