Иван Михайлович углублённо изучал различные направления философии и психологии, полемизировал с представителями разных философско-психологических направлений— П. Л. Лавровым, Константином Кавелиным, Г. Струве. В 1873 году были опубликованы «Психологические этюды», объединившие «Рефлексы головного мозга» (4-е издание), возражения Кавелину и статью «Кому и как разрабатывать психологию». Сеченов применял психологию в педагогической и общественной деятельности, участвовал в работе новых судов присяжных в качестве присяжного заседателя и дружил со многими известными судебными деятелями, был мировым посредником в спорах между крестьянами и помещиками.
Важнейшее значение вклада Сеченова в психологию состояло в «…радикальном перемещении отправного пункта психологического мышления с непосредственно данных феноменов сознания, веками считавшихся для познающего ума первой реальностью, к объективному поведению», писал Михаил Ярошевский. Это была, по выражению Ивана Павлова, «…поистине для того времени чрезвычайная попытка… представить себе наш субъективный мир чисто физиологически».
В 1890-х годах Сеченов выступает с циклом работ по проблемам психофизиологии и теории познания («Впечатления и действительность», 1890; «О предметном мышлении с физиологической точки зрения», 1894), существенно перерабатывает теоретико-познавательный трактат «Элементы мысли».
Опираясь на достижения физиологии органов чувств и исследования функций двигательного аппарата, Иван Михайлович развивает идеи о мышце как органе достоверного познания пространственно-временных отношений вещей, локализация которого волновала учёных со времён Канта. Согласно Сеченову, чувственные сигналы, посылаемые работающей мышцей, позволяют строить образы внешних предметов, а также соотносить предметы между собой и тем самым служить телесной основой координации движений и элементарных форм мышления. Эти идеи о мышечной чувствительности стимулировали разработку современного учения о механизме чувственного восприятия.
Впервые «мышечное чувство» (проприоцепция) было открыто И. М. Сеченовым задолго до президента Британского королевского общества (аналог Академии наук) Шеррингтона, признававшего приоритет «русского учёного», но в 1932 году единолично награждённого после смерти нашего гения присуждаемой только живым исследователям Нобелевской премией за полученные им и И. М. Сеченовым результаты.
