这是一种学习形式，其中中性刺激与会自然引发无条件行为的无条件刺激重复配对出现。
多次重复配对出现之后，中性刺激变成条件刺激，引起条件反应。
经典条件反射的研究始于俄国生理学家巴甫洛夫。
他发现，食物和其他刺激成对出现一段时间后，狗对非食物的其它刺激也会产生唾液分泌。
例如，虽然食物会自然地引起唾液分泌，但只要在呈现食物之前稳定地给予刺激，将其作为呈现食物的信号，那么一段时间后，该刺激本身也能引起唾液分泌。
在这个实验中，食物是无条件刺激，唾液分泌是无条件反应，标志着食物出现并最终引发唾液分泌的刺激信号是条件刺激。当条件刺激能单独引发唾液分泌时，条件反射就形成了。
经典条件反射的特点是，以前的中性刺激通过与无条件刺激的重复配对诱发了生物的适应性反应。
然而我们现在也知道，这个经典条件反射的过程并不是过去所认为的那样是无意义或自动的，动物似乎会主动预测中性刺激所带来的生理事件，而这个信息帮助他们有所预测或准备。
也就是说，他们是通过通常被称为刺激结果预期的过程习得反应的。
经典条件反射一旦形成，就会维持较长的时间，甚至经过多年也不会遗忘。
但是如果条件刺激在没有无条件刺激的情况下反复多次出现，形成的条件反射也会逐渐消失，这个过程称为消退，它与遗忘的概念有区别，因为这种反射可能在未来某个时间重现。
此外，在某一环境中消退的条件反射，也有可能在其它环境中微弱地显现。因此在治疗中，很多在治疗室里消退的恐惧反应也可能在其他的情境中再次出现。
经典条件反射在变态心理学中很重要，因为许多生理和情绪反应都可以形成条件反射，包括恐惧、焦虑、性唤起相关的反应。
比如如果让一个人感到恐惧的刺激，经常在黑暗中发生，那么他便会习得对黑暗的恐惧。如果一个人曾经被蛇咬过，那么他便可能习得对蛇的恐惧。