Найбільшим досягненням фізіології 20 століття стало створення І. П. Павловим і його школою вчення про умовних рефлексах (див.). І. П. Павлов вперше застосував об'єктивний природничонауковий метод до вивчення психічної діяльності і на початку 20 століття відкрив, що її основою є умовні рефлекси, що здійснюють найбільш складні зв'язки і зрівноважування організму з зовнішнім середовищем. Дослідження в цьому напрямку
привели до відкриття основних законів вищої нервової діяльності, до створення вчення про типи вищої нервової діяльності (див.), про двох сигнальних системах і про експериментальних неврозах.
Вчення В. П. Павлова про умовних рефлексах, про фізіологію вищої нервової діяльності і розвинуті ним і його школою ідеї, широко відомі під назвою «нервизма», стали найбільшим досягненням сучасного природознавства, однією з природничих основ матеріалістичного світогляду і радянської медицини. Після смерті В. П. Павлова основні розділи вчення про вищої нервової діяльності розроблялися його численними учнями і послідовниками як в СРСР, так і за кордоном.
Успіхи електрофізіології і особливо микроэлектродной техніки дозволили розвинути висунуту В. П. Павловим концепцію про єдність діяльності кори великих півкуль головного мозку і підкіркових утворень. У 1949 р. X. Мегун (США) і Д. Моруцци (Італія) у спільній роботі встановили, що ретикулярна формація стовбура мозку надає активуюча генералізоване неспецифічну дію на всю кору великих півкуль. Спеціальне вивчення взаємодії кори і підкірки у зв'язку з функціями ретикулярної формації проводилося в СРСР П. К. Анохіним, С. П. Нарикашвили і їх співр. Ідеї В. П. Павлова і радянської фізіологічної школи в галузі вивчення фізіології ЦНС отримали всесвітнє визнання і були прийняті на теоретичне озброєння передовими вченими всього світу.
На основі ідей В. П. Павлова його учні і послідовники створили ряд самостійних напрямів. Л. А. Орбелі (1882-1958) висунув теорію універсального адаптаційно-трофічного характеру впливів симпатичної нервової системи. Згідно цієї теорії симпатична система робить регулюючий вплив безпосередньо на внутрішній хімізм тканин, на обмін речовин і підтримує в иннервируемом органі оптимальні умови, що забезпечують найбільш раціональний ефект в певний момент. Характер її впливу залежить не тільки від зовнішніх впливів, але і від вихідного стану тканинного обміну. Іншою великою заслугою Л. А. Орбелі перед наукою слід вважати розвиток еволюційних ідей в області фізіології. Значний внесок у розробку порівняльної фізіології та вивчення функцій з позицій еволюційного вчення внесли в СРСР X. С. Коштоянц (1900 - 1961), а за кордоном Р. Йордан (Голландія), Д. Нідхем (Англія) і ін В лабораторіях П. К. Анохіна, В. А. Аршавського та інших вивчалися закономірності становлення рефлексів в ембріогенезі та ранньої постнатальной життя організму. Еволюційний метод дослідження допоміг радянським фізіологам правильно вирішити проблему співвідношення умовних і безумовних рефлексів.
Учень В. П. Павлова Р. В. Фольборт (1885-1960) виявив значення симпатичної нервової системи та ендокринних залоз в секреторної і моторної діяльності шлунково-кишкового тракту; встановив основні закономірності, яким підпорядковується вироблення жовчі печінкою. І. П. Разенковым (1888-1954) була виявлена велика роль шлунково-кишкового тракту в межуточном обміні речовин організму і значний вплив якості та режиму харчування на ЦНС.
Розробка проблеми кортикальної регуляції діяльності внутрішніх органів велася в лабораторії К. М. Бикова (1886-1959). У його монографії «Кора головного мозку і внутрішні органи» (1942) було узагальнено результати досліджень та сформульовано теорія про кортико-вісцеральних зв'язків.
В СРСР і за кордоном проведено важливі дослідження з проблеми интероцепции (див.).
Роботи В. О. Парина, К. М. Бикова, Ст. Н. Чернігівського і співр. показали, що немає такого органу, який не володів би рецепторної функцією і не був би джерелом интерорецептивных рефлексів. В. о. Парин, вивчаючи відкритий у 1903 р. А. Б. Фохтом і В. К. Линдеманом (Росія) рефлекс з легеневих судин на серце, експериментально встановив, що при підвищенні тиску в судинах легені, виключеного з зв'язку із загальним колом кровообігу, виникають рефлекторні зрушення в усьому апараті кровообігу (1946).
Н. Е. Введенський (1852-1922), А. А. Ухтомський (1875-1942) з працівниками створили вчення про фізіологічні ритми, про лабільності і парабіоз. Особливо значним досягненням слід вважати сформульоване А. А. Ухтомським вчення про домінанту як головному робочому принцип діяльності ЦНС (1923). Згідно цього вчення сильно збуджений «сузір'я» центрів здатне підсумувати збудження, адресовані до інших центрів, і гальмувати виникнення в них діяльного стану у відповідь на відповідні зовнішні подразнення.
Учень Н. Е. Введенського В. С. Бериташвили (Беріт) на підставі електрофізіологічних досліджень ЦНС встановив ритмічний характер взаємного гальмування, закономірності координуючої діяльності і висунув ряд теоретичних положень: про утворення в корі великих півкуль двосторонніх тимчасових зв'язків; про сполученої іррадіації збудження; про подолання загального гальмування в ЦНС. В. Ю. Чаговець (1873-1941) створив іонну теорію походження біоелектричних потенціалів і конденсаторну теорію подразнення (1896-1898). П. П. Лазарєв (1878-1942) розробив іонну теорію збудження (1916). А. Ф. Самойлов (1867-1930) висунув положення про хімічної природи передачі нервового імпульсу з рухового нерва на скелетну м'яз (1924).
Створена в кінці 19 - початку 20 ст. І. М. Сєченовим фізіологія праці отримала найбільший розвиток у нашій країні, особливо в дослідженнях школи А. А. Ухтомського.
В СРСР після Великої Жовтневої соціалістичної революції сформувалися нові галузі фізіології: авіаційна та космічна, фізіологія спорту і вікова фізіологія.
Значний внесок у розвиток фізіології зроблений рядом великих зарубіжних фізіологів. Ч. Шеррингтон (1859-1952, Англія) вивчав механізми рефлекторної діяльності організму і висунув уявлення про інтегративної діяльності нервової системи. Однак у трактуванні вищих функцій мозку він стояв на дуалістичних позиціях, заперечуючи пізнаванності психічної діяльності. М. Ферворн (1863-1921, Німеччина) розвивав напрямок, названий їм целлюлярной фізіологією нервової системи. Зробивши ряд цінних відкриттів, він у прикінцевих узагальненнях приходив до ідеалістичним висновків і став родоначальником реакційного напряму в філософії - кондиционализма. У. Кеннон (1871-1945, США) встановив значення симпатоадреналової системи у підтримці стійкого стану організму (гомеостазис) і в розвитку емоцій. Л. Лапик (1866 - 1952, Франція) створив вчення про хронаксии (1909). О. Леві (Австрія) відкрив участь ацетилхоліну у передачі збудження блукаючого нерва на серце. Р. Дейл (Англія) і А. Ф. Самойлов (СРСР) показали, що такий же механізм передачі збудження (за допомогою медіаторів) і в кінцевих пластинках скелетних м'язів.
Микрофизиологию нерва вивчали японські вчені Р. Като і В. Тасаки. Тасаки, застосувавши власну спеціальну методику, виявив, що різні ділянки нервового волокна володіють різною збудливістю. Максимальної збудливістю володіє «перехоплення Ранвье»; тут і відбуваються активні фізико-хімічні процеси, пов'язані з виникненням та проведенням збудження (1939).
Великий внесок у вивчення нервових процесів внесла кембриджська школа фізіологів. Е. Едріан докладно вивчив особливості нервового імпульсу. За допомогою найтоншої микроэлектрофизиологической та мікрохірургічної методики він вперше здійснив записи струмів дії від одного нервового волокна (1926) і від зорового нерва. Великі досягнення фізіології останнього десятиліття зобов'язані застосування микроэлектродной техніки. Настюк і Ходжкін (Англія) в 1950 р. показали, що для реєстрації електричних потенціалів від одиночного м'язового волокна досить проколоти поверхню волокна микроэлектродом. Д. Экклсу (Австралія), усовершенствовавшему цю методику, вдалося провести самі ретельні дослідження електричних властивостей нервової клітини, вивчити особливості процесів збудження і гальмування всередині клітини, з'ясувати їх іонний механізм. Кембриджською школою була розвинена висунута Ю. Бернштейном (Німеччина) у 1902 р. мембранна теорія збудження, згідно з якою в основі біоелектричних явищ лежать іонні процеси, що розігруються в області напівпроникною клітинної мембрани. A. Ходжкін (Кембридж) з співр. в експериментах з'ясував роль іонів в генеруванні нервового імпульсу, механізм їх розподілу між клітиною і середовищем за порушення.
Фізіологія справила великий вплив на розвиток фармакології. Цей вплив яскраво проявилося в працях основоположника радянської фармакології Н. П. Кравкова (1865-1924). Розроблений ним метод використання ізольованих органів тварин і людини для вивчення дії лікарських речовин та отрут отримав всесвітнє визнання і зіграв виняткову роль не тільки в області експериментальної фармакології, але й у вивченні функціональної здатності судин в нормі і при різних захворюваннях. За допомогою цього методу Н. П. Кравков створив вчення про фазному дії лікарських речовин.
Експериментально-фізіологічний напрям розвивали Ст. Ст. Савич (1874 - 1936), М. П. Ніколаєв (1893-1949), С. В. Анічков і ін.
