巴甫洛夫用狗做实验。当狗吃食物时会引起唾液分泌，这是非条件反射。如果给狗以铃声，则不会引起唾液分泌。但如果每次给狗吃食物以前就出现铃声，这样结合多次之后，铃声一响，狗就会出现唾液分泌。铃声本来与唾液分泌无关(称为无关刺激)。由于多次与食物结合，铃声已具有引起唾液分泌的作用，即铃声已成为进食的信号了。所以这时，铃声已转化成信号刺激(即条件刺激)。这种反射就是条件反射。
可见，形成条件反射的基本条件就是无关刺激与非条件刺激在时间上的结合，这个过程称为强化。要形成条件反射除需要多次强化外，还需要神经系统的正常活动。
在巩固的条件反射基础上能形成新的条件反射，在巩固的条件反射基础上建立的条件反射称为二级条件反射。动物愈高级。建立的条件反射级愈多，人类由于掌握了语言，能形成无数级的条件反射。
巴甫洛夫根据神经系统的实验研究，指出了关于条件反射脑机制的假设。他最后认为暂时神经联系很可能是在皮层内接通的。当动物进食时，味感受器的冲动沿着传入神经输入延肋的唾液中枢，由此产生神经发放，传至唾液腺，引起唾液分泌，这是非条件反射的途经。同时在反射弧的传入选径上有侧支向上，经丘脑到大脑皮层,巴甫洛夫称之为非条件刺激的皮层代表点或兴奋灶。
条件反射建立时，中性刺激(例如声音刺激)经上行传导通路到达听觉皮层，即条件刺激兴奋灶。暂时联系的接通就发生在两个兴奋灶之间。但是，条件反射的反射弧究竟在何处形成以及怎样形成的问题，至今尚未解决。很可能在条件反射的形成初期，许多神经结构都参与。只是在条件反射巩固后，反应才变得更为集中，定位更为局限。近年来用神经细胞模型研究接通暂时联系的电生理过程，进一步说明暂时神经联系是普遍的神经生理现象。在进化的不同阶梯上，暂时联系的接通部位可能不同。猿猴和狗等高等哺乳动物的大脑半球是暂时神经联系接通的主要部位。
另一种条件反射叫操作性条件反射。美国心理学家斯金纳把一只饿鼠放入实验箱内，当它偶然踩在杠杆上时，即喂食以强化这一动作。经多次重复。鼠即会自动踩杠杆而得食。在此基础上还可以进一步训练动物只对某一个待定信号。如灯光，铃声出现后，作出踩杠杆的动作，才给以食物强化。这类必须通过自己某种活动(操作)才能得到强化所形成的条件反射，称为操作性条件反射或工具性条件反射。
操作性条件反射和经典性条件反射的基本原理是相同的。它们都以强化和神经系统的正常活动为基本条件，但它们之间也有不同之处。在形成操作性条件反射过程中，动物可以自由地活动。它通过主动操作来达到一定的目的,但在形成经典性条件反射时，动物往往被束缚着，是被动地接受刺激。另外，在操作性条件反射中强化只同反应(操作)有关。并出现在反应之后,而在经典性条件反射中。强化是同刺激有关，而且出现在反应之前，在现实生活中，往往在一个复杂的反射活动中，既包含有经典性条件反射，也包含有操作性条件反射。
