По словам П.К. Анохина, Тарханов отнесся к диссертанту чрезвычайно строго: «…неприязнь чувствовалась в каждом возражении; врачи, присутствовавшие на защите, которым Павлов помогал при выполнении диссертаций, старались успокоить своего любимца тем, что сочли придирки Тарханова завистью».
Инцидент не был исчерпан. Павлов послал три работы для представления на конкурс на премию имени митрополита Макария: «Блуждающий нерв как регулятор общего кровяного давления» и две работы «О центробежных нервах сердца», одна из них — диссертационная. Тарханов, по словам Анохина, «тщательно проработал труды Павлова и дал отрицательный отзыв, вследствие чего Павлов никакой премии не получил». Возможно, что в этом поступке Тарханова сыграло роль неупоминание Павловым работ самого Тарханова. В дальнейшем между ними восстановились хорошие отношения. В 1890 году, когда выставлялась кандидатура Павлова на кафедру фармакологии, профессор химии Соколов подает отвод, считая, что физиолог не должен быть избираем профессором на кафедру фармакологии. Защитником Павлова, помимо Манассеина и Пашутина, выступает Тарханов. В дальнейшем Тарханов принимает участие в «павловских средах», встречается с Павловым на заседаниях Общества русских врачей в Петербурге, их участие в прениях не носит следов неприязни. В 1895 году, в день двадцатипятилетнего юбилея Тарханова, Павлов вместе с Ненцким поздравляют юбиляра от имени Института экспериментальной медицины.
В течение 22 лет, с 1877 по 1895 год, профессор Тарханов занимал кафедру физиологии Петербургского университета и Военно-медицинской академии. За это время он выполнил около 30 работ. В декабре 1894 года реакционно настроенная администрация Военно-медицинской академии во главе с профессором Пашутиным воспользовалась возможностью освободиться от слишком либерального ученого секретаря и профессора Тарханова. Он был отчислен от должности секретаря, а 2 марта 1895 года уволен из Академии за выслугой лет, не достигнув 50-летнего возраста, оставив созданную на протяжении многих лет прекрасно оборудованную лабораторию. На страницах газеты «Новое время», журнала «Врач» разворачивается травля Тарханова. Метод «Определения объема массы крови», предложенный Тархановым, стал предметом злобных выпадов со стороны отдельных работников Военно-медицинской Академии. В газетах начали появляться анонимные письма, осмеивающие данный метод.
Выйдя в отставку, Тарханове 1894–1895 учебном году, будучи приват-доцентом, приступает к чтению лекций по общей физиологии в Петербургском университете. В 1901 году Тарханов выбывает из состава приват-доцентов Петербургского университета.
В 1900 году, рано утром, И.П. Павлов едет на квартиру к Тарханову, чтобы поздравить от имени физиологической кафедры Военно-медицинской академии, которую он занял после ухода Тарханова. Тарханов в этот день уезжал в Париж на всемирную выставку, на которой он получил за экспонаты орден Почетного легиона 3-й степени.
Известие о смерти Тарханова было для русской общественности совершенно неожиданным, так как Тарханов умер во время летних каникул на даче Антоколь в Карпатах. О болезни его в Петербурге не знали. Прах покойного привезли в Петербург 10 сентября 1908 года. На Варшавском вокзале собралось множество студентов, слушателей народного университета, представители интеллигенции. И.П. Павлов на панихиде у фоба покойного Тарханова произносит прочувствованную речь, и под его председательством проходит в Обществе русских врачей торжественное заседание, посвященное памяти И.Р. Тарханова. Погребение состоялось в Александро-Невской лавре, где на средства, собранные грузинской колонией, был в 1912 году поставлен памятник. Бюсты Тарханова и фигуры плачущей женщины были сделаны по модели вдовы покойного, скульптора Антокольской. Профессору Тарханову принадлежат работы в различных областях физиологии.
Наибольший интерес представляют его исследования по вопросам электрофизиологии, которые явились прямым продолжением работ И.М. Сеченова, одним из первых учеников которого он был. В числе первых он занимался экспериментальным изучением явлений суммаций в нервной системе (1869). Исследуя биоэлектрические явления в животном организме, Тарханов впервые описал в 1889 году кожногальванический (КГР), или психогальванический, рефлекс, который обусловлен главным образом деятельностью потовых желез. Это явление изменения электрического сопротивления кожи как своеобразной реакции на эмоциональное возбуждение. КГР на протяжении многих лет изучают как физиологи, так и психологи, так как это очень чувствительный показатель, связанный с эмоциональным возбуждением. КГР является вегетативным компонентом ориентировочных, оборонительных и других рефлексов и легко воспроизводится условнорефлекторно. На этом принципе построен детектор лжи. Занимался Тарханов также изучением влияния сжатого воздуха, кислорода и угольной кислоты на нервную раздражимость, описал (1847) образование желчных пигментов в организме животных и человека, одним из первых показал (1871) возможность восстановления угасающих функций обескровленного животного путем введения в организм физиологического раствора. Много внимания уделял исследованию биологического действия рентгеновскихлучей. В 1896 году в опытах на лягушках показал влияние рентгеновских лучей на центральную нервную систему, выражающееся, в частности, в понижении рефлекса. Ему принадлежат работы в области возрастной физиологии.
В работе, посвященной сну («Сон»), Тарханов задается вопросом: «Зачем человеку сон, если мозг продолжает работать даже интенсивнее, чем в бодрствовании?» И отвечает: «Во сне не спят находящиеся в мозгу центры дыхания и кровообращения, не спят центры речи, ибо во сне мы разговариваем, не спят центры внимания, слуха, обоняния, не спит, наконец, мозжечок, о чем свидетельствуют чудеса эквилибристики, проявляемые лунатиками. Так что же тогда спит? Спят только центры, в которых сосредоточено наше сознание. Все остальное работает, и даже интенсивнее, чем днем». На самом деле сознание то спит, то бодрствует. Если бы это было не так, человек не смог бы вспомнить свои сновидения. Следует отметить, что Тарханов установил понижение кровяного давления в период сна. В 1880 году Тарханов переводит «Учение о пищеварении» Эвальда, а через два года под его редакцией издаются «Лекции по зоологии» Поля Бера и «Учебник физиологии» Фостера в двух томах. В 1894 году Тарханов выступает с докладом на Всемирном конгрессе врачей в Риме. В 1895 году «О механизме светящегося
Работа Тарханова «Психические явления и телесные процессы в организме животных и человека» является выражением мысли, которая проходит через все его научное творчество. Завершается эта мысль монографией «Дух и тело» (1904), где ученый говорит о единстве духа и тела, о взаимоотношении организма с внешней средой. Тарханов выражает свое удивление перед гением Шиллера, который в «Психофизических этюдах», не применяя никаких измерительных приборов, только силу наблюдательности писателя-врача, постиг единство духа и тела, тогда как последующие работы Манассеина и его собственные потребовали для доказательства этого положения массы времени и труда.
Одним из первых И.Р. Тарханов написал о внушении. В 1881 году опубликовал результаты своих наблюдений на тему самовнушения, уже позже В.М. Бехтерев ввел методику самовнушения в повседневную практику. Работы Тарханова «Гипнотизм, внушение и чтение мыслей» (1886), издание переведено на французский язык в 1891 году, «Внушение и гипнотизм» (1905) вызвали широкий отклик. Совместно с Б.А. Оксом Тарханов редактировал (1892–1893) перевод с немецкого 3-томного «Энциклопедического медицинского словаря» А. Виларе. Он был необходим всем врачам, являясь первым медицинским словарем на русском языке. В работе «Обман сознания» (1886) Тарханов приходит к идеологии Гельмгольца, временами впадает в пессимизм, свойственный работам Клода Бернара в последние годы его жизни. Бернар, изгнавший в своих изысканиях жизненные силы, вновь начинает их признавать, правда не как исполнительную, а как законодательную силу. К концу жизни он считает, что все обеспечено физико-химическими условиями, но жизненная сила урегулировала и привела в гармонию эти условия, ибо от случая все это никак не могло зависеть.
