В 1936 г., после кончины И. П. Павлова, Институт возглавил его ученик академик Л. А. Орбели, под руководством которого, наряду с основными исследованиями высшей нервной деятельности, сформировалось принципиально новое учение об адаптационно-трофической функции симпатической нервной системы, имеющее широкое общебиологическое значение и представляющее ценность для клинической медицины.
В 50-е годы под руководством академика К. М. Быкова были получены фундаментальные результаты по физиологии и патофизиологии кортико-висцеральных отношений. Были установлены основные нервные и гормональные механизмы кортико-висцеральных нарушений, возникающих в условиях экспериментального невроза. Была развита теория патогенеза ряда заболеваний внутренних органов, а также генез психосоматических заболеваний человека. Доказано, что с возникновением патологического состояния коры мозга развиваются существенные сдвиги в вегетативной сфере организма.
В 60−70 годы под руководством академика В. Н. Черниговского были получены приоритетные данные, касающиеся структурно-функциональной организации рецепторов внутренних органов и их представительства в коре головного мозга, механизмов восприятия и переработки сенсорной информации, роли стриато-таламо-кортикальной системы в регуляции поведения, онтогенеза мотивационно-эмоциональных реакций. Академиком А. М. Уголевым был открыт новый тип пищеварения — пристеночное (мембранное) пищеварение, которое реализуется на границе внеклеточной и внутриклеточной сред ферментами, синтезируемыми самими кишечными клетками, а также ферментами, адсорбированными из полости тонкой кишки, что обеспечивает эффективное сопряжение пищеварительных и транспортных процессов. Академиком А. Д. Ноздрачевым разработана концепция о метасимпатической нервной системе — самостоятельном (наряду с симпатическим и парасимпатическим) отделе автономной нервной системы, в сфере управления которой находится практически вся текущая деятельность полых внутренних органов.
В 80−90 гг. под руководством академика В. А. Говырина получили дальнейшее развитие работы по изучению процессов регуляции функциональных систем организма, а также механизмов адаптации. В этом направлении установлены важные закономерности взаимоотношения местных и центральных механизмов регуляции кровообращения, тонуса сосудов, дыхания, гипоталамо-гипофизарно-адренокортикальной системы, установлены механизмы, определяющие помехоустойчивость слуховой и зрительной систем человека и животных, раскрыты новые нейрофизиологические механизмы спинальной локомоции. Выявлена роль генов, контролирующих универсальные свойства нервной системы, связанные с процессами адаптации и обучения. Раскрыто важное значение вторичных внутриклеточных посредников в реализации генетической информации, детерминирующей деятельность нервной системы.
С 1994 г. по 2015 г. директором Института являлся чл.-корр. РАН Д. П. Дворецкий. В значительной мере благодаря его заслугам в тяжелые для науки нашей страны 90-е годы прошлого столетия Институт сохранил свои позиции в качестве одного из ведущих физиологических учреждений страны, последовательно развивая традиционные направления исследований в области физиологии высшей нервной деятельности, висцеральной и сенсорной физиологии на разных уровнях организации (от молекулярно-клеточного до системного организменного). Этому способствовало объединение исследований лабораторий Института в рамках разработки долгосрочных научных программ Президиума РАН, Отделения физиологических наук РАН и др.
28 июля 2015 г. приказом ФАНО № 645 п/о директором Института назначена чл.-корр. РАН Л. П. Филаретова.
В настоящее время Институт физиологии им. И. П. Павлова — сохраняет позицию одного из крупнейших многопрофильных физиологических учреждений страны, в 34 лабораторияхи группах которого работает около 200 научных сотрудников, в том числе 150 докторов и кандидатов наук. Институт размещается в Санкт-Петербурге и в основанном И. П. Павловым научном городке Колтуши (Ленобласть, Всеволожский район, с. Павлово), который включает современные лабораторные здания, Павловский мемориальный комплекс, виварий, антропоидник, крупнейшую научную библиотеку физиологического профиля, основанную в конце XIX века, инфраструктуру обеспечения, жилой массив, парк.