Бехтерев утверждал, что отдельные зоны коры больших полушарий выполняют определённые функции. В 1887 году в статье «Физиология двигательной области мозговой коры» он писал: «…я вовсе не причисляю себя к числу тех авторов, которые смотрят на кору как на мозаику, состоящую из отдельных кусков различной окраски. Кора мозга, быть может, и уподобляется карте, разрисованной отдельными красками по отдельным участкам, но так, что соседние краски, понятно, смешиваются между собой и при этом, может быть, на этой карте не существует ни одного участка, покрытого одним цветом, а не смешанного из множества красок». Эта мысль В. М. Бехтерева позже нашла развитие в учении И. П. Павлова о проекционных и ассоциативных полях коры больших полушарий.

Морфологические и физиологические исследования, проведённые Бехтеревым в лабораториях Казанского университета, легли в основу большого числа его публикаций и продолжались в последующие годы в Медико-хирургической академии.

В течение всей жизни Владимир Михайлович был убеждён в отсутствии чёткой грани между нервными и психическими болезнями. Он обращал внимание на то, что нервные болезни нередко сопровождаются психическими расстройствами, а при душевных заболеваниях возможны и признаки органического поражения центральной нервной системы.

Накопленный клинический опыт позволил ему опубликовать работы по невропатологии и смежным дисциплинам. Наиболее известной из них стала его статья «Одеревенелость позвоночника с искривлением его как особая форма заболевания», опубликованная в столичном журнале «Врач». Описанное в этой статье заболевание в настоящее время известно как анкилозирующий спондилит, или болезнь Бехтерева. Многие впервые выявленные учёным неврологические симптомы, а также ряд оригинальных клинических наблюдений нашли отражение в двухтомной книге «Нервные болезни в отдельных наблюдениях», изданной в Казани.

В 1891 году учёный обратился к администрации медицинского факультета с предложением об организации в Казани неврологического научного общества. Согласие на создание такого общества было получено, и председателем единогласно избрали Бехтерева.

С 1893 года Казанское неврологическое общество стало регулярно издавать свой печатный орган — журнал «Неврологический вестник», который выходил до 1918 года под редакцией Владимира Михайловича.

Весной 1893 года Бехтерев получил от начальника Петербургской Военно-медицинской академии приглашение занять кафедру душевных и нервных болезней, освобождающуюся в связи с уходом в отставку «за выслугой лет» Мержеевского, учителя Владимира Михайловича.

Бехтерев прибыл в Петербург в конце сентября и сразу включился в работу. Он начал создавать первую в России нейрохирургическую операционную. Бехтерев стремился к созданию специализированной нейрохирургической службы, считая, что нейрохирургами могут стать хирурги, овладевшие невропатологией, или невропатологи, научившиеся оперировать. При этом он явное предпочтение отдавал нейрохирургам из невропатологов. Сам учёный не оперировал, но принимал активное участие в диагностике нейрохирургических болезней.

В лабораториях клиники Бехтерев вместе со своими сотрудниками и учениками продолжал многочисленные исследования по морфологии и физиологии нервной системы. Это позволяло ему пополнить материалы по нейроморфологии и приступить к работе над фундаментальным семитомным трудом «Основы учения о функциях мозга». Тогда же он большое внимание стал уделять изучению психологии.

В 1894 году Владимир Михайлович получил первый генеральский чин действительного статского советника. В конце того же года он был назначен членом медицинского совета министерства внутренних дел, а в 1895 году — членом военно-медицинского учёного совета при военном министре и тогда же — членом совета дома призрения душевнобольных.

Трудоспособность учёного была поразительной. С 1894 по 1905 год он ежегодно выполнял от четырнадцати до двадцати четырёх научных работ. При этом следует иметь в виду, что учёный никогда не ставил подпись под работой, написанной другим. Всё, что издано под его именем, было написано его собственной рукой.

В ноябре 1900 года двухтомник «Проводящие пути спинного и головного мозга» был выдвинут Российской академией наук на премию имени академика К. М. Бэра. 29 декабря того же года на торжественном заседании Российской академии наук профессорам В. М. Бехтереву и И. П. Павлову была вручена присуждённая им награда.

Казалось бы, после такого успеха можно какое-то время отдохнуть, но учёному такое времяпрепровождение было несвойственно. Накопленный жизненный и научный опыт побуждал к обобщениям, философским трактовкам. В 1902 году он опубликовал книгу «Психика и жизнь», в которой высказал своё мнение о сущности психических процессов, о соотношении между бытием и сознанием, психикой и жизнью.

К тому времени Бехтерев подготовил к печати первый том фундаментальной работы «Основы учения о функциях мозга», которая стала его главным трудом по нейрофизиологии. В ней он стремился привести в строгую систему все накопленные в литературе и самостоятельно добытые в лабораторных исследованиях и в процессе клинических наблюдений сведения о деятельности нервной системы. В книге он не только обобщил все известные данные о функциях мозга, но и описал функцию всех его отделов, опираясь на собственные многолетние экспериментальные и клинические исследования.

В первом томе, вышедшем из печати в 1903 году, изложены общие положения о деятельности мозга. В нём, в частности, Бехтерев представил энергетическую теорию торможения, согласно которой нервная энергия в мозгу устремляется к находящемуся в деятельном состоянии центру. Она как бы стекается к нему по связующим отдельные территории мозга проводящим путям, прежде всего, из вблизи расположенных территорий мозга, в которых, как считал Бехтерев, возникает «понижение возбудимости, следовательно, угнетение».

После завершения работы над семью томами «Основы учения о функциях мозга» особое внимание Бехтерева как учёного стали привлекать проблемы психологии. Исходя из того, что психическая деятельность возникает в результате работы мозга, он считал возможным опираться главным образом на достижения физиологии, и, прежде всего, на учение о сочетательных (условных) рефлексах. Бехтерев высказывался о том, что «нет ни одного субъективного явления, которое не сопутствовалось бы объективными процессами в мозгу в виде пробегающего по нервным клеткам и волокнам тока, представляющего собой… по внешности акт химико-физический». Вслед за Сеченовым Бехтерев утверждал, что «так называемые психические явления суть рефлексы».

В 1907–1910 годах Бехтерев опубликовал три тома книги «Объективная психология», в которых изложил основные представления нового, созданного и развиваемого им направления в психологической науке. Учёный утверждал, что все психические процессы сопровождаются рефлекторными двигательными и вегетативными реакциями, которые доступны наблюдению и регистрации. Опираясь на объективные критерии, он считал возможным изучать не только осознаваемые, но и неосознанные психические явления.

В первом томе «Объективной психологии» Бехтерев предложил выделить психологию индивидуальную, общественную, национальную, сравнительную, а также зоопсихологию. Кроме того, он признавал необходимость выделения психологии детского возраста «как науки, изучающей законы и последовательность психического развития отдельных индивидуумов».

В 1915 году по инициативе Владимира Михайловича при Психоневрологическом институте был создан приют с детским садом и школой для детей беженцев из западных губерний. Постоянно находясь в гуще общественной жизни столицы, Бехтерев по-прежнему много внимания уделял Психоневрологическому институту.

После Октябрьской революции академик Бехтерев сразу же включился в создание здравоохранения молодой республики. В мае 1918 году Бехтерев обратился в Совнарком с ходатайством об организации научно-исследовательского учреждения — Института по изучению мозга и психической деятельности. Вскоре институт открылся, и его директором до самой смерти являлся Владимир Михайлович Бехтерев.