Han er mest kjent for sin forskning på klassisk kondisjonering, som han utførte i samarbeid med sin mentor, Ivan Pavlov.
Tolmans arbeid bidro til å etablere prinsippet om at læring ikke bare er et spørsmål om å assosiere to stimuli, men heller at det også involverer dannelsen av kognitive representasjoner av miljøet.
I tillegg til sitt arbeid med kondisjonering, skrev Tolman også om en rekke andre emner, inkludert oppmerksomhet, motivasjon og dyreintelligens.
Noen av hans mest innflytelsesrike bøker og artikler inkluderer:
- *Målrettet oppførsel hos dyr og menn* (1932)
- *Behavior and Psychological Man* (1951)
- "A Behavioristic Theory of Ideas" (1932)
- "Det er mer enn én form for læring" (1948)
Tolman var en pioner innen komparativ psykologi, og arbeidet hans har hatt stor innvirkning på vår forståelse av dyrs atferd og menneskelig læring.