Основними принципами рефлекторної теорії Павлов уважав принцип детермінізму, принцип структурності й принцип аналізу й синтезу. Принцип детермінізму встановлює повну обумовленість матеріальними причинами всіх явищ в організмі, у тому числі й вищій нервовій діяльності. Вивчення функцій кори головного мозку дозволило Павлову настільки точно пізнати закони, що керують умовно-рефлекторною діяльністю, що стало можливо в значній мірі керувати цією діяльністю у тварин (собак) і заздалегідь пророкувати, які зміни відбудуться при тих або інших умовах. Принцип структурності встановлює, що всі нервові процеси є результатом діяльності певних структурних утворень – нервових кліток, і залежать від властивостей цих кліток. Принцип аналізу й синтезу встановлює, що в процесі рефлекторної діяльності відбувається, з одного боку, дроблення навколишньої природи на величезну масу окремо сприйманих явищ, а з іншого боку – перетворення одночасно або послідовно діючих подразників (різного характеру) у комплексні. З поданням про аналітичну й синтетичну діяльність кори мозку, Павлов представляв всю кору півкуль як сукупність аналізаторів. Аналізатори є цілісними структурними й функціональними складовими, що включають у себе периферичний – сприймаючий відділ (рецептори) , провідниковий відділ (доцентрові нервові волокна й всі утворення центральної нервової системи, що передають порушення від рецепторів у кору головного мозку.) і корковий відділ, що здійснює вищий аналіз і синтез всіх сприйманих організмом роздратувань. У цьому поданні діяльність рецепторів розглядається в єдності з діяльністю центральної нервової системи. Павлов розрізняв зоровий, слуховой, смаковий, нюховий, шкірний, руховий і внутрішній аналізатори. Вивчаючиючи якісні відмінності вищої нервової діяльності людинии в порівнянні із тваринами, він висунув вчення про до сигнальні системи дійсності: першої – загальної в людини й тварин, і сприймаючий безпосередній вплив, сигнали зовнішнього середовища, і другий – властивої тільки людині, мовній системі. Павлов розглядав свідомість людини в нерозривному зв’язку з мовленням і встановив, що механізми вищої нервової діяльності, вироблення й гальмування умовних рефлексів визначають і розвиток мовлення. Друга сигнальна система функціонує на основі першої, тобто на основі впливу на організм людини явищ природи, позначуваних словами. Це дозволило поширити принцип детермінізму на специфічні для людини вищі форми нервової діяльності.
