条件反射理论是巴甫洛夫的高级神经活动学说的核心内容；1927年他在〈大脑两半球机能讲义〉著作中全面系统地论述了条件反射活动的规律。反射活动是神经系统活动的基本形式，反射包括条件反射与非条件反射（又称无条件反射）两类，二者最根本的区别在于；前者是后天形成的，需要特定的条件；后者是先天固有的，是长期生物进化过程中形成的。巴甫洛夫发现，某些无关动因或中性刺激（如铃声、灯光）与非条件刺激（如食物）在出现的时间上相结合（专业术语称为强化），经过若干次训练以后，单独的中性刺激（即条件刺激）也能引起与非条件刺激相同的反应，这就是条件反射。例如，狗见到食物开始分泌唾液是非条件反射，如果每次给食物时总是与铃声或灯光相结合，经过若干次以后，单独出现铃声或灯光也会引起狗分泌唾液，这就是条件反射的表现。由于饲养员定时给狗喂食；所以饲养员特有的脚步声就使狗开始分泌唾液。 

条件反射是一种具有普遍意义的大脑活动方式，是高等动物和人类对环境刺激的一种适应性反应。巴甫洛夫认为，学习是条件反射的建立过程，记忆是条件反射的巩固。实际上条件反射是一种典型的联合型学习记忆模式。巴甫洛夫不仅研究了动物的条件反射，而且还探讨了人类的高级神经活动，提出了第二信号系统的概念，首次说明语词对人类的条件刺激作用。语词是客观世界中具体信号（铃声、灯光等，称为第一信号）的信号，称为第二信号，人类有语言文字，所以只有人类才有第一、第二两种信号系统，动物只有第一信号系统。人类的高级神经活动常常是两个信号系统共同协调作用的结果，是人类思维的物质基础。例如；“谈虎色变”就是语言（第二信号）作为条件刺激引起的条件反射。关于条件反射形成的脑内神经机制，巴甫洛夫提出了暂时联系学说，并认为暂时联系的神经接通部在大脑皮层内。也就是说，由于条件刺激与非条件刺激的多次结合，二者在大脑皮层内产生的两个兴奋灶之间建立了暂时的机能联系——神经接通。       
 

原则上说，任何一种能被身体感受的动因都可以作为条件刺激信号，在各种非条件反射（食物性反射、防御性反射、性反射以及内脏活动的反射——呕吐反射、排尿反射等等）的基础上都可以通过训练建立条件反射。条件反射建立与巩固的过程就是学习记忆的过程。因此，在实际生活中和教育实践中可以有意识地通过训练而建立条件反射来改变身体的反应，从而养成良好的习惯或培养有益的兴趣与爱好，或消除不良的嗜好等。例如，有人建议采用催吐剂来戒酒，即饮酒与催吐剂相结合，当形成条件反射以后，饮酒就会引起呕吐，于是就厌恶饮酒。