Han er bedst kendt for sin forskning i klassisk konditionering, som han udførte i samarbejde med sin mentor, Ivan Pavlov.
Tolmans arbejde var med til at etablere princippet om, at læring ikke blot er et spørgsmål om at forbinde to stimuli, men snarere at det også involverer dannelsen af kognitive repræsentationer af omgivelserne.
Ud over sit arbejde med konditionering skrev Tolman også om en række andre emner, herunder opmærksomhed, motivation og dyrs intelligens.
Nogle af hans mest indflydelsesrige bøger og artikler omfatter:
- *Formålsbevidst adfærd hos dyr og mænd* (1932)
- *Adfærd og psykologisk mand* (1951)
- "A Behavioristic Theory of Ideas" (1932)
- "Der er mere end én form for læring" (1948)
Tolman var en pioner inden for komparativ psykologi, og hans arbejde har haft stor indflydelse på vores forståelse af dyrs adfærd og menneskelig læring.