В 1879 году Бехтерев был принят в действительные члены Петербургского общества психиатров. А в 1884 г. был командирован за границу, где занимался у Дюбуа-Раймона (Берлин), Вундта (Лейпциг), Мейнерта (Вена), Шарко (Париж) и др. По защите докторской диссертации (4 апреля 1881 г.) утверждён приват-доцентом Петербургской медико-хирургической академии, а с 1885 г. состоял профессором Казанского университета и заведующим психиатрической клиникой окружной казанской лечебницы. Во время работы в Казанском университете создал психофизиологическую лабораторию и основал Казанское общество невропатологов и психиатров. В 1893 г. возглавил кафедру нервных и душевных болезней Медико-хирургической академии. В том же году основал журнал «Неврологический вестник». В 1894 году Владимир Михайлович был назначен членом медицинского совета министерства внутренних дел, а в 1895 году — членом военно-медицинского ученого совета при военном министре и тогда же членом совета дома призрения душевнобольных. С 1897 преподавал также в Женском медицинском институте.
Организовал в Петербурге Общество психоневрологов и Общество нормальной и экспериментальной психологии и научной организации труда. Редактировал журналы «Обозрение психиатрии, неврологии и экспериментальной психологии», «Изучение и воспитание личности», «Вопросы изучения труда» и другие.
В ноябре 1900 года двухтомник Бехтерева «Проводящие пути спинного и головного мозга» был выдвинут Российской академией наук на премию имени академика К. М. Бэра. В 1900 Бехтерев был избран председателем Русского общества нормальной и патологической психологии.

После завершения работы над семью томами «Основы учения о функциях мозга» особое внимание Бехтерева как ученого стали привлекать проблемы

В. М. Бехтерев среди слушателей Императорской Военно-медицинской академии (1912)

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. В 1907—1910 годах Бехтерев опубликовал три тома книги «Объективная психология». Ученый утверждал, что все психические процессы сопровождаются рефлекторными двигательными и вегетативными реакциями, которые доступны наблюдению и регистрации.

Был членом редакционного комитета многотомного «Traite international de psychologie pathologique» («Интернациональный трактат по патологической психологии») (Париж, 1908—1910), для которого им написаны несколько глав. В 1908 г. в Петербурге начинает работу основанный Бехтеревым Психоневрологический институт.

В мае 1918 году Бехтерев обратился в Совнарком с ходатайством об организации Института по изучению мозга и психической деятельности. Вскоре Институт открылся, и его директором до самой смерти являлся Владимир Михайлович Бехтерев. В 1927 ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки РСФСР.

Умер внезапно 24 декабря 1927 года в Москве, спустя несколько часов после того, как отравился консервами. Существует версия, что смерть Бехтерева связана с консультацией, которую он незадолго до гибели дал Сталину. Но прямых свидетельств, что одно событие связано с другим, нет.

После своей смерти В. М. Бехтерев оставил собственную школу и сотни учеников, в том числе 70 профессоров.

Широко использовал понятие «нервный рефлекс». Ввел в оборот понятие «сочетательно-двигательный рефлекс» и разработал концепцию этого рефлекса. Открыл и изучил проводящие пути спинного и головного мозга человека, описал некоторые мозговые образования. Установил и выделил ряд рефлексов, синдромов и симптомов. Физиологические рефлексы Бехтерева (лопаточно-плечевой, рефлекс большого веретена, выдыхательный и др.) позволяют определить состояние соответствующих рефлекторных дуг, а патологические (тыльностопный рефлекс Менделя — Бехтерева, запястно-пальцевой рефлекс, рефлекс Бехтерева — Якобсона) отражают поражение пирамидных путей.

Описал некоторые болезни и разработал методы их лечения («Постэнцефалитические симптомы Бехтерева», «Психотерапевтическая триада Бехтерева», «Фобические симптомы Бехтерева» и др.). В 1892 Бехтеревым была описана «одеревенелость позвоночника с искривлением его как особая форма заболевания» («Болезнь Бехтерева», «Анкилозирующий спондилит»). Бехтеревым выделены такие заболевания, как «хореическая падучая», «сифилитический множественный склероз», «острая мозжечковая атаксия алкоголиков». Создал ряд лекарственных препаратов. «Микстура Бехтерева» широко использовалась в качестве успокаивающего средства.

Многие годы исследовал проблемы гипноза и внушения, в том числе при алкоголизме.

Более 20 лет изучал вопросы полового поведения и воспитания ребенка. Разработал объективные методы изучения нервно-психического развития детей.

Многократно критиковал психоанализ (учения Зигмунда Фрейда, Альфреда Адлера и др.). Но вместе с тем способствовал проведению теоретических, экспериментальных и психотерапевтических работ по психоанализу, которые осуществлялись в возглавляемом им Институте по изучению мозга и психической деятельности.

Кроме того, Бехтерев разрабатывал и изучал связь между нервными и психическими болезнями, психопатии и циркулярный психоз, клинику и патогенез галлюцинаций, описал ряд форм навязчивых состояний, различные проявления психического автоматизма. Для лечения нервно-психических заболеваний ввел сочетательно-рефлекторную терапию неврозов и алкоголизма, психотерапию методом отвлечения, коллективную психотерапию...