С 1893 года работал в Петербурге, занимал пост профессора Военно-медицинской академии. С 1897 года – профессор Женского медицинского института.
В 1908 году стал директором организованного им Психоневрологического института.
В 1918 году возглавил созданный по его инициативе Институт по изучению мозга и психической деятельности (позже – Государственный рефлексологический институт по изучению мозга, получивший его имя).
В 1927 году ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки РСФСР.
Как ученого его всегда интересовал человек – его психика и мозг. По словам специалистов, он исследовал личность на основе комплексного изучения мозга физиологическими, анатомическими и психологическими методами, позже – через попытку создания комплексной науки о человеке и обществе (получившей название рефлексологии).
Крупнейшим вкладом в науку стали работы Бехтерева в области морфологии мозга.
Почти 20 лет он посвятил изучению полового воспитания и поведения ребенка раннего возраста.
Всю жизнь исследовал силу гипнотического внушения, в том числе и при алкоголизме. Разрабатывал теорию внушения.
Он впервые выделил ряд характерных рефлексов, симптомов и синдромов, важных для диагностики нервно-психических болезней. Описал ряд болезней и методы их лечения. Кроме диссертации «Опыт клинического исследования температуры тела при некоторых формах душевных заболеваний», Бехтереву принадлежат многочисленные работы, которые посвящены описанию малоисследованных патологических процессов нервной системы и отдельным случаям нервных заболеваний. Например, он изучал и лечил многие психические расстройства и синдромы: боязнь покраснеть, боязнь опоздать, навязчивую ревность, навязчивую улыбку, боязнь чужого взгляда, боязнь полового бессилия, одержимость гадами (рептилофрению) и другие.
Оценивая значение психологии для решения фундаментальных проблем психиатрии, Бехтерев не забывал, что и психиатрия как клиническая дисциплина в свою очередь обогащает психологию, ставит перед ней новые проблемы и решает некоторые сложные вопросы психологии. Это взаимообогащение психологии и психиатрии Бехтерев понимал следующим образом: «…получив толчок в своем развитии, психиатрия как наука, занимающаяся болезненными расстройствами душевной деятельности, оказала огромные услуги психологии. Новейшие успехи психиатрии, обязанные в значительной степени клиническому изучению психических расстройств у постели больного, послужили основой особого отдела знаний, известного под названием патологической психологии, которая уже привела к разрешению весьма многих психологических проблем и от которой, без сомнения, еще большего в этом отношении можно ожидать в будущем».