К 1863–1868 гг. относится окончательное формирование физиологической школы Сеченова. Ряд лет он со своими учениками занимался физиологией межцентральных отношений. Наиболее существенные результаты этих исследований опубликованы в его работе Физиология нервной системы (1866). В 1871–1872 под его редакцией в России был опубликован перевод труда Ч.Дарвина Происхождение человека, что послужило развитию эволюционной физиологии в России.
В 1870 г. Сеченов вышел в отставку и был избран профессором на кафедру физиологии в Новороссийский университет в Одессе. В Новороссийском университете С. были выполнены исследования действия электрических раздражений на нерв (1872), локомоции у лягушки и действия блуждающего нерва на сердце (1873). В то же время С. заинтересовался вопросами физиологии газообмена, дыхательной функции крови. С 1876 по 1889 г. он занимал кафедру физиологии в Петербургском университете. С 1876 по 1901 г. преподавал в Московском университете сначала в качестве доцента, а с 1891 г. - в качестве профессора.
Сеченов стал основателем русской физиологической школы, заложил основы физико-химического понимания сущности биологических процессов, охватив практически все разделы физиологии, и показал, что в основе психологических явлений лежат физиологические процессы. Его экспериментальные исследования положили начало современному учению о рефлекторной природе психических процессов. В своей ставшей классической работе Рефлексы головного мозга (1866) обосновал рефлекторную природу сознательной и бессознательной деятельности.
Умер Сеченов в 1905 году от воспаления легких. Его имя присвоено 1-му Московскому медицинскому институту (1955), институту эволюционной физиологии и биохимии АН СССР (1956); учреждена премия им. Сеченова, присуждаемая АН СССР раз в 3 года советским учёным за выдающиеся исследования по физиологии.