Les observacions bàsiques de Pàvlov foren simples. Si es posen aliments o certs àcids diluïts en la boca d’un gos famolenc, aquest comença a segregar un flux de saliva procedent de determinades glàndules. Pàvlov va observar que l’animal també salivava quan el menjar encara no havia arribat a la boca, el que significava que el menjar vist o olorat provocava la mateixa resposta. A més, el gos salivava igualment davant la presència de la persona que en general li acostava el menjar. Això va dur-lo a desenvolupar un mètode experimental per estudiar l’adquisició de noves connexions d’estímul–resposta. Indubtablement, les quals havia observat en els seus gossos no podien ser innates o connaturals d’aquesta classe d’animal.
La magnitud de les respostes als diferents estímuls pot amidar-se pel volum total o el nombre de gotes de saliva segregades en una determinada unitat de temps.
Al realitzar l’experiment de la campana Pàvlov, des de l’habitació contigua i a través d’un vidre, va poder observar la conducta del gos, aplicant els estímuls i valorant les respostes. Abans de començar l’experiment, Pàvlov va amidar les reaccions de salivació al menjar en el musell, que va ser considerable, mentre que el gos va salivar molt poc al ser sotmès a l’estímul del so (toc de la campana). A continuació, va iniciar les proves de condicionament. Toca la campana estímul neutral, i immediatament després va presentar menjar a l’animal estímul incondicionat, amb un interval molt breu. Va repetir aquest parell d’estímuls moltes vegades durant diverses setmanes, sempre quan el gos estava famolenc. Transcorreguts diversos dies va tocar tan sols la campana i la resposta de saliva va aparèixer a l’escoltar-se el so, a pesar que no es va presentar el menjar. La resposta havia quedat condicionada a un estímul que no havia pogut produir-la prèviament.
La salivació del gos davant el menjar és una reposada incondicionada; la salivació després d’escoltar la campana és una resposta condicionada. L’estímul neutre que suposa inicialment la campana es converteix finalment en un estímul condicionat. Aquest estímul condicionat (so), és com un senyal que avisa que l’estímul incondicionat (menjar), està a punt d’aparèixer. Finalment, existeix el reforç, que és l’enfortiment de l’associació entre un estímul incondicionat amb el condicionat. El reforçament és un esdeveniment que incrementa la probabilitat que ocorri una determinada resposta. La definició de condicionament clàssic és la formació (o reforçament) d’una associació entre un estímul neutre i un reflex.
Quan es presenta sobtadament un estímul condicionat però sense associar-li l’estímul incondicionat, deixa de provocar la resposta. En el cas del gos de Pàvlov, deixaria de salivar davant la campana si, sobtadament, no va acompanyada d’aliment. Quan l’estímul condicionat ja no provoca la resposta, es diu que el reflex condicionat s’ha “extingit”. La reaparició d’una resposta condicionada extingida prèviament, després d’un període de descans, es coneix com a “recuperació espontània”. Si el gos de Pàvlov tornés a la situació experimental, després d’algun temps d’absència, la campana podria provocar novament la resposta de salivació. La generalització de l’estímul suposa una tendència a produir la resposta condicionada davant estímuls similars al condicionament, així mateix el gos respondrà a sons més o menys similars al de la campana. Així mateix s’aprèn a discriminar, això és, a aprendre a respondre a un estímul i a inhibir aquesta resposta a un segon estímul semblant.
Així denomina Pàvlov la relació per la qual el sistema nerviós central, especialment el cervell associa, per exemple, una campanada amb el possible aliment: la campanada (o altre estímul substitutiu) resulta un senyal. Per Pàvlov la majoria dels animals es regeix per un “pensament” basat en aquest sistema de substitucions reflecteixes, un primer sistema de senyals.
Però, a diferència dels conductistes clàssics Pàvlov té més agudesa en referència a les “conductes” humanes, i està lluny de considerar-les un sistema de reflexos condicionats, no almenys en l’esquemàtic model “estímul-resposta”. En l’Homo sapiens sapiens Pàvlov considera que es produeïx un salt qualitatiu respecte al primer sistema de senyals, en l’humà la qüestió ja no es restringeix a reflexos condicionats o a estímuls substitutius, la complexitat del cervell humà facilita un segon sistema de senyals que és el llenguatge verbal o simbòlic, en aquest les substitucions a partir dels estímuls semblen ser infinites i no obstant això altament ordenades (lògiques). Pàvlov entén que aquesta capacitat apreix en gran mesura perquè considera que en l’ésser humà existeix una capacitat d’autocondicionament que, encara que sembli contradictori, l’és alliberador: l’ésser humà pot reaccionar davant estímuls que ell mateix va generant i que pot transmetre mitjançant una informació.