쉽게 말하면 US->UR 인데 US의 자리를 CS가 대체함으로써CR이 나온다는 이론이다.
이는 파블로프가 생각한 것으로써, 자극대체이론 또는 자극치환이론(Stimulus Substitution Theory)라 부른다.
자극대체이론의 결정적인 문제점은 CR과 UR이 항상 같지는 않다는 증거가 있다는 사실이다.
일반적으로 조건반응은 UR보다 더 약하고 덜 일관되게 일어나며 더 늦게 일어난다.
그리고 조건 반응과 무조건 반응 사이에 질적인 차이가 있는 경우도 흔히 있다.
종소리와 먹이를 연합시키는 Karl Zener(1937)의 실험에서, CS와 US는 모두 침 분비를 유발하지만,
US는 씹는 운동 외에는 거의 하지 않지만, 반면 CS가 나타나면 개가 활동적이 되기는 해도 씹는 운동을 하지는 않았던 것이다.
이 이론이 부딪힌 더 심각한 문제점은 CR과 UR이반대인 경우가 때때로 있다는 것이다.
예를 들어 전기 충격에 대한 무조건 반응은 심박률의 증가인 반면, 전기충격과 짝지어진 CS는 심박률의 감소를 유발한다.