Najbardziej znany jest ze swoich badań nad warunkowaniem klasycznym, które prowadził we współpracy ze swoim mentorem Iwanem Pawłowem.
Prace Tolmana pomogły w ustaleniu zasady, że uczenie się nie polega po prostu na kojarzeniu dwóch bodźców, ale raczej na tworzeniu poznawczych reprezentacji środowiska.
Oprócz pracy nad warunkowaniem Tolman pisał także na wiele innych tematów, w tym na temat uwagi, motywacji i inteligencji zwierząt.
Do jego najbardziej wpływowych książek i artykułów należą:
- * Celowe zachowanie zwierząt i ludzi * (1932)
- *Człowiek behawioralny i psychologiczny* (1951)
- „Behawiorystyczna teoria idei” (1932)
- „Istnieje więcej niż jeden rodzaj uczenia się” (1948)
Tolman był pionierem w dziedzinie psychologii porównawczej, a jego prace wywarły ogromny wpływ na nasze rozumienie zachowań zwierząt i uczenia się ludzi.