В «Рефлексах головного мозга» Сеченов показал, что «Все акты сознательной и бессознательной жизни по способу происхождения суть рефлексы». «Все без исключения психические акты, не осложненные страстным элементом, развиваются путем рефлекса. Стало быть, и все сознательные движения, вытекающие из этих актов, движения, называемые обыкновенно произвольными, суть в строгом смысле отраженные», – вот основная идея «Рефлексов». И.М. Сеченов впервые доказал, что вся сложная психическая жизнь человека «не есть проявление какой-то загадочной "души"», а зависит от внешних раздражителей, без которых не может быть никакой психической деятельности. Основой всей душевной жизни человека является головной мозг.
Публикация произвела революцию в науке. Иван Павлов, один из учеников И.М. Сеченова, отмечал, что это была «поистине для того времени чрезвычайная попытка… представить себе наш субъективный мир чисто физиологически». Она заложила основы объективной психологии.
Брошюра была объявлена запрещенной. Петербургский цензурный комитет нашел, что «эта материалистическая теория… ниспровергает все понятия о нравственных обязанностях.., разрушая моральные основы общества в земной жизни, тем самым уничтожает религиозный догмат жизни будущей; она не согласна ни с христианским, ни с уголовно-юридическим воззрением и ведет положительно к развращению нравов». Петербургский митрополит даже предложил сослать автора в Соловецкую обитель. На публикацию был наложен арест «как на крайне опасную по своему влиянию на людей», а против Сеченова было начато судебное разбирательство. Расследование ни к чему не привело, процесс не состоялся, но Иван Михайлович в результате попал в списки «политически неблагонадежных».
В 1867 г. Сеченов, взяв годичный отпуск, снова отправился в Австрию, в Грац, где в лаборатории профессора Роллета продолжил изучение нервной системы и процесса поглощения кровью из тканей и отдачи углекислоты. Эти исследования позволили ему сделать в дальнейшем несколько крупных открытий в области теории растворов. По возвращении на родину он продолжил свои изыскания.
В сентябре 1869 г. И.М. Сеченов был избран членом-корреспондентом Императорской Петербургской академии наук. Примерно в это же время, после десятилетней преподавательской деятельности, он покинул Медико-хирургическую академию. Некоторое время ученый оставался без работы. Его друг, Д.И. Менделеев, пригласил его в свою лабораторию. Иван Михайлович согласился и занялся химией растворов. Из этих исследований затем выросло одно из направлений его научной деятельности. Он изучал вопросы физиологии газообмена, дыхательной функции крови и состава легочного воздуха.
В 1870 г., приняв приглашение Новороссийского университета занять должность профессора физиологии на естественном факультете, Сеченов переехал в Одессу. Через пять лет, весной 1876 г., он вернулся в Петербург, где стал профессором кафедры физиологии физико-математического факультета Петербургского университета. А в 1891 г. Сеченов перешел на ту же должность в Московский университет.
В 1890-е гг. ученый занялся проблемами психофизиологии и теории познания. Он разработал специальный учебный курс, который лег в основу классического труда «Физиология нервных центров», изданного в 1891 г. Работа посвящалась анализу различных явлений нервной системы, «от бессознательных реакций у животных до высших форм восприятия у человека».
В Петербурге и в Москве, параллельно с преподаванием в университете, Сеченов читал лекции на Высших женских курсах и на женских курсах при Обществе воспитательниц и учительниц в Москве. А выйдя в декабре 1901 г. в отставку, в возрасте 74 лет он начал читать лекции по физиологии на Пречистенских курсах для рабочих в Москве. Правда, через полгода лекции вольнодумного профессора были запрещены попечителем Московского учебного округа.
Последние годы жизни И.М. Сеченов занимался исследованием физиологических основ режима труда и отдыха человека. Изучая проблему, он, как это часто бывало, ставил эксперименты на себе. В результате ученый пришел к выводу, что любой вид отдыха не может заменить сон. Он выяснил, что человеку необходим восьмичасовой сон, а остальные 16 часов в сутки нужно распределить между работой и отдыхом. Уже тогда, в конце XIX в., Сеченов, изучив работу и утомляемость сердца, говорил о необходимости восьмичасового рабочего дня.
Умер И.М. Сеченов 2 (15) ноября 1905 г. от воспаления легких.