Много внимания уделяя морфологическим исследованиям, Бехтерев продолжал и изучение физиологии в направлении, начатом трудами Николая Осиповича Ковалевского. С именем Ковалевского связано развитие и укрепление в русском естествознании и прежде всего в психофизиологии материалистических воззрений. Являясь современником И. М. Сеченова, Ковалевский разделял его взгляды на психические процессы как на результат деятельности мозга. Речь Н. О. Ковалевского на торжественном акте Казанского университета в 1876 году «Как смотрит физиология на жизнь вообще и психическую в особенности», направленная против идеализма и метафизики, стала значительной страницей в истории материалистического естествознания. Заведующий кафедрой физиологии Петербургского университета H. E. Введенский в 1906 году писал, что Сеченов «является у нас в области физиологии… новатором, и вслед за ним можно поставить разве только имя казанского профессора физиологии Н. О. Ковалевского». Высокую оценку деятельности Ковалевского давал и И. И. Мечников. На кафедре Ковалевского была хорошо оборудованная физиологическая лаборатория, основанная в 1858 году его учителем известным русским физиологом Филиппом Васильевичем Овсянниковым, к тому времени работавшим в столице в Российской Академии наук. В этой лаборатории совместно с одним из ближайших сотрудников Ковалевского, Николаем Александровичем Миславским, Бехтерев смог провести целую серию экспериментов, в ходе которых изучалось влияние отдельных территорий коры больших полушарий на функции различных органов и систем подопытных животных.

В ходе собственных и совместных с Миславским опытов Бехтерев немало сделал для развития идей нервизма, продемонстрировав связи отдельных зон коры с определенными внутренними органами и тканями и подтверждая таким образом влияние коры больших полушарий на вегетативные функции, а также функциональную специализацию отдельных территорий коры. При этом было установлено расположение в коре полушарий собак корковых областей, от функции которых зависят слезоотделение и зрачковые реакции, перистальтика желудка и кишечника, деятельность поджелудочной железы, печени, почек, состояние мочевого пузыря, работа сердца, состояние артериального давления и пр.

Бехтерев утверждал, что отдельные зоны коры выполняют определенные функции, но он не был «узким» ло-кализационистом. Уже в 1887 году в статье «Физиология двигательной области мозговой коры» он писал: «…я вовсе не причисляю себя к числу авторов, которые смотрят на кору как на мозаику, состоящую из отдельных кусков различной окраски. Кора мозга, быть может, и уподобляется карте, разрисованной различными 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 Бехтерева позже нашла развитие в учении И. П. Павлова о проекционных и ассоциативных полях коры больших полушарий.

Морфологические и физиологические исследования, проводимые Бехтеревым в лабораториях Казанского университета, легли в основу большого числа его публикаций и продолжались в последующие годы в Военно-медицинской академии.

В 1885 году состоялся I съезд Общества русских врачей имени Пирогова, который положил начало профессиональному общению врачей в масштабе Российского государства. С этого года стали кооперироваться и врачи отдельных профессий и, в частности, психиатры. В январе 1887 года в Москве в течение восьми дней проходил I съезд отечественных психиатров. В нем принимали участие почти все отечественные психиатры и невропатологи и в том числе А. Я. Кожевников, С. С. Корсаков, В. X. Кандинский, А. И. Рот, Л. Ф. Рагозин. Председателем съезда был избран учитель Бехтерева И. П. Мержеевский. И. М. Балинский приехать на съезд не смог из-за болезни. Бехтерев собирался в нем участвовать, однако выехать из Казани ему не удалось по семейным обстоятельствам. В адрес съезда им была направлена телеграмма с пожеланием «полного успеха его делам».

Психиатрия в то время находилась в стадии становления, и в связи с этим на съезде рассматривались прежде всего организационные вопросы и обсуждалась классификация психических заболеваний, разработанная В. X. Кандинским. Тематика съезда Бехтерева весьма интересовала, он тщательно изучал его материалы.

Впоследствии Бехтерев сделал и самостоятельную попытку к созданию оптимальной классификации психических болезней. При этом к разделению их по клиническим признакам он отнесся очень осторожно и в связи с этим писал: «Сами по себе психические расстройства или симптомы в виде психического возбуждения, угнетения и безразличия, в виде нарушения в закреплении и оживлении следов, в виде расстройств сочетательной деятельности, ненормальных влечений и т. п. еще не говорят о сущности данного заболевания, как и другие симптоматические состояния из области внутренних болезней, например, водянка, желтуха, кашель и т. п., не говорят нам о сущности, того болезненного процесса, который лежит в их основе. Поэтому в симптоматическом отношении в известные периоды внешнее сходство имеют совершенно различные душевные болезни…» Наиболее целесообразной Бехтереву представлялась их классификация, основанная на представлениях об обусловливающих их развитие причинах.

Бехтерев считал, что «только наблюдение всей совокупности симптомов как психических, так и физических, та или другая смесь этих симптомов, их сочетание и течение, а равно и исследование всего организма с физической стороны и, между прочим, в отношении его наследственного и, в частности, семейного расположения, в отношении возраста и телесного и умственного развития, в отношении присутствующих в организме отклонений или его индивидуальных особенностей, в отношении ранее перенесенных физических и психических болезней, а также бывших ранее излишеств того или иного рода или иных отягчающих моментов, дают тот материал, при сопоставлении которого мы получаем возможность правильно оценить данное психическое заболевание».

Будучи заведующим кафедрой психиатрии, Бехтерев занимался диагностикой и лечением нервных болезней. Он был уверен, что «психическая деятельность находится в полной и безусловной зависимости от деятельности высших корковых центров нервной системы и их взаимных связей между собой, в то время как поражение других центров и проводников нервной системы обусловливает разнообразные нервные болезни». В связи с этим Бехтерев считал, что между нервными и психическими заболеваниями нет четкой грани. Эта мысль подтверждалась тем, что нервные болезни нередко сопровождаются психическими расстройствами, а при душевных заболеваниях могут выявляться и признаки органического поражения нервной системы.

Отношения с заведующим университетской кафедрой нервных болезней Д. П. Скалозубовым, ранее служившим в Московской полицейской больнице, складывались не лучшим образом. В Казань он приехал несколько раньше Бехтерева, но продвижение его по службе шло медленнее. Работать в университете он начал в качестве приват-доцента, а ординарным профессором стал позже Бехтерева на два года. Его раздражали кипучая энергия Бехтерева, быстро возрастающие авторитет и популярность молодого ученого, его успехи в науке. Предложение Бехтерева о совместных исследованиях он встретил холодно. Все это побудило Бехтерева для работы с неврологическими больными искать лечебные учреждения, не входящие в клиническую базу университета. Такими учреждениями стали Казанский военный госпиталь, Губернская земская больница, где Бехтерев одно время даже заведовал неврологическим отделением, и Покровская земская больница.