Исследования и сочинения И. М. Сеченова были посвящены в основном трем проблемам: физиологии нервной системы, химизму дыхания и физиологическим основам психической деятельности. Своими работами он положил начало отечественной физиологии и создал материалистическую школу русских физиологов, которая сыграла важную роль в развитии физио- логии, психологии и медицины не только в России, но и во всем мире. Большое значение для естественнонаучного обоснования материалистической теории познания имело открытие И. М. Сеченовым отражательной, рефлекторной природы высшей нервной (психической) деятельности животных и человека. Он впервые в истории физиологической науки стал рассматривать деятельность головного мозга как рефлекторную, в то время как до него рефлекторным считали только те виды жизнедеятельности организма, которые связаны со спинным мозгом.

И. М. Сеченов установил, что в головном мозгу животных и человека существуют особые

нервные механизмы, которые оказывают тормозящее влияние на непроизвольные движения. Эти

механизмы он называл «задерживающими центрами». Открытый им физиологический центр,

находящийся в средних частях головного мозга, получил название «сеченовского центра». Самое

явление, установленное в этих опытах, получило в физиологии название «сеченовского

торможения».

И. М. Сеченов изучал организм в единстве с условиями его существования. Он утверждал:

«Всегда и везде жизнь слагается из кооперации двух факторов — определенной, но изменя-

ющейся организации и воздействия извне». «Организм без внешней среды, поддерживающей его существование, невозможен, поэтому в научное определение организма должна входить и среда, влияющая на него, так как без последней существование организма невозможно». И. М. Сеченов показал, что психическую деятельность можно и должно изучать такими же научными, строго объективными способами, какими изучается телесная деятельность животных и человека, без всяких ссылок на нематериальные, сверхъестественные причины. И. М. Сеченов поставил перед собой задачу разработать и объяснить законы внешних проявлений психической деятельности. Он показал, что все акты и явления сознательной и бессознательной психической жизни человека управляются определенными физиологическими механизмами и по способу происхождения суть рефлексы, которые начинаются возбуждением органов чувств предметами внешнего мира, продолжаются определенным психическим актом и кончаются мышечным движением. В последние годы жизни И. М. Сеченов изучал закономерности физиологических процессов, связанных с трудовой деятельностью человека. В тяжелых исторических условиях царского режима И. М. Сеченов данными физиологии обосновал требования рабочих в их борьбе за восьмичасовой рабочий день. 

И. М. Сеченов разоблачал научную несостоятельность человеконенавистнических расистских теорий о якобы естественном разделении людей на «высшие» и «низшие» расы. Много страниц в «Рефлексах головного мозга» И. М. Сеченов посвятил воспитанию, развитию навыков у детей и решал эти вопросы в соответствии с основной своей установкой, что среда является определяющим фактором в развитии человека. Этот раздел он закончил резкой отповедью расистам, которая звучит и сегодня: «В неизмеримом большинстве случаев характер психического содержания на 999/1000 дается воспитанием в обширном смысле слова, и только на 1/1000 зависит от индивидуальности. Этим я не хочу, конечно, сказать, что из дурака можно сделать умного: это было бы все равно, что дать человеку, рожденному без слухового нерва, слух. Моя мысль следующая: умного негра, лапландца, башкира европейское воспитание в европейском обществе делает человеком, чрезвычайно мало отличающимся со стороны психического содержания от образованного европейца». Идеи И. М. Сеченова во многом определили материалистическое направление отечественной медицины второй половины XIX века. Они привлекли внимание передовых русских врачей к изучению роли внешней среды для организма и роли нервной системы в появлении и развитии патологических процессов в организме. Учение о рефлексе как основном анатомо-физиологическом механизме всех деятельностей животного организма явилось научным обоснованием неврогенного патогенеза болезней. И. М. Сеченов имел учеников и последователей в различных направлениях научной деятельности: в области изучения нервной системы, ее строения и функции, физиологии периферической нервной системы (Н. Е. Введенский), вопросах обмена (В. В. Пашутин, М. Н. Шатерников), изуче- нии физиологии головного мозга (И. П. Павлов). Влияние И. М. Сеченова не ограничилось только областью физиологии: его идеи сказались на деятельности морфологов при изучении строения нервной системы и клиницистов в приложении теории о рефлексах к анализу патологических явлений.