Весной 1893 г. Бехтерев получил от начальника Петербургской военно-медицинской академии приглашение занять кафедру душевных и нервных болезней. Бехтерев прибыл в Петербург и начал создавать первую в России нейрохирургическую операционную.
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».
В 1894 г. Бехтерев был назначен членом медицинского совета Министерства внутренних дел, а в 1895 г. он стал членом Военно-медицинского ученого совета при военном министре и тогда же членом совета дома призрения душевнобольных.
В ноябре 1900 г. двухтомник «Проводящие пути спинного и головного мозга» был выдвинут Российской академией наук на премию имени академика К.М Бэра. В 1902 г. он опубликовал книгу «Психика и жизнь». К тому времени Бехтерев подготовил к печати первый том работы «Основы учения о функциях мозга», которая стала его главным трудом по нейрофизиологии. Здесь были собраны и систематизированы общие положения о деятельности мозга. Так, Бехтерев представил энергетическую теорию торможения, в соответствии с которой нервная энергия в мозгу устремляется к находящемуся в деятельном состоянии центру. По мнению Бехтерева, эта энергия 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».
Вообще, работы Бехтерева по изучению морфологии мозга внесли бесценный вклад в развитие отечественной психологии Его, в частности, интересовал ход отдельных пучков в центральной нервной системе, состав белого вещества спинного мозга и ход волокон в сером веществе, и вместе с тем на основании произведенных опытов ему удалось выяснить физиологическое значение отдельных частей центральной нервной системы (зрительных бугров, пред-дверной ветви слухового нерва, нижних и верхних олив, четверохолмия).
Занимаясь непосредственно функциями мозга, Бехтерев открыл ядра и проводящие пути в мозге; создал учение о проводящих путях спинного мозга и функциональной анатомии мозга; установил анатомофизиологическую основу равновесия и пространственной ориентации, обнаружил в коре головного мозга центры движения и секреции внутренних органов и т.д.
После завершения работы над семью томами «Основы учения о функциях мозга» особое внимание Бехтерева стали привлекать проблемы психологии. Бехтерев говорил о равноправном существовании двух психологии: он выделял субъективную психологию, основным методом которой должна быть интроспекция, и объективную. Бехтерев называл себя представителем объективной психологии, однако считал возможным объективное изучение лишь внешне наблюдаемого, т.е. поведения (в бихевиористском смысле), и физиологической активности нервной системы.
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 об условных рефлексах.