Тварина (кішка, собака, мавпа) мала самостійно знайти вихід зі спеціально сконструйованої «проблемної скриньки» або з лабіринту. Пізніше в якості випробовуваних в аналогічних дослідах брали участь і маленькі діти.
При аналізі такої складної спонтанної поведінки, яким видається пошук способу вирішення лабіринтного завдання або відпирання дверцята (на відміну від відповідного, респондентного), важко виділити стимул, що викликає певну реакцію. За даними Торндайка, спочатку тварини здійснювали безліч хаотичних рухів - проб і лише випадково виробляли потрібні, які приводили до успіху. При наступних спробах вийти з цієї ж скриньки спостерігалося зменшення кількості помилок і скорочення кількості витраченого часу. Тип навчання, коли випробовуваний, як правило, несвідомо пробує різні варіанти поведінки, оперети (від англ. operate - діяти), з яких «відбирається» найбільш підходящий, найбільш адаптивний, отримав назву оперантного обумовлення.
Метод «проб і помилок» у вирішенні інтелектуальних завдань став розглядатися як загальна закономірність, що характеризує поведінку і тварин, і людини.
Торндайк сформулював чотири основні закони навчання.
1. Закон повторення (вправи). Чим частіше повторюється зв'язок між стимулом і реакцією, тим швидше він закріплюється і тим він міцніший.
2. Закон ефекту (підкріплення). При вивченні реакцій закріплюються ті з них, які супроводжуються підкріпленням (позитивним або негативним).
3. Закон готовності. Стан суб'єкта (відчувані ним почуття голоду, спраги) небайдужий для вироблення нових реакцій.
4. Закон асоціативного зрушення (суміжності в часі). Нейтральний стимул, пов'язаний за асоціацією зі значущим, теж починає викликати потрібну поведінку.
Торндайком були виділені також додаткові умови успішності навчання дитини - легкість розрізнення стимулу і реакції та усвідомлення зв'язку між ними.
Оперантне навчання відбувається за більшої активності організму, воно контролюється (визначається) його результатами, наслідками. Загальна тенденція така, що якщо дії призвели до позитивного результату, до успіху, то вони будуть закріплені і повторені.
Лабіринт в дослідах Торндайка служив спрощеною моделлю навколишнього середовища. Лабіринтна методика дійсно в якійсь мірі моделює відносини організму і середовища, але дуже вузько, односторонньо, обмежено; і переносити закономірності, відкриті в рамках цієї моделі, на соціальну поведінку людини в складно організованому суспільстві надзвичайно важко.