В процессе обследования каждого больного Бехтерев проявлял исключительную наблюдательность. Это давало ему возможность отмечать у больных никем не описанные ранее признаки (симптомы), многие из которых в специальной литературе стали называться его именем. Их выявление способствовало определению различных форм патологии нервной системы. Для объективизации данных обследования больных Бехтерев сконструировал и применил на практике множество приборов: болемер (альгезиметр) — для определения болевой чувствительности, трихестезиметр — для определения так, называемой волосковой чувствительности, барестезиметр — для проверки чувства давления, сейсмометр — для выявления нарушений вибрационной чувствительности, миоэс-гезиметр — для изучения болевой чувствительности при сдавливании мышц. Для исследования проводимости звука через кости черепа по замыслу Бехтерева его сотрудники Жуков и Добротворский разработали специальный прибор — остеоакузометр, представляющий собой камертон, непрерывность и равномерность звучания которого обеспечивались миниатюрным электромотором, подключенным к гальванической батарее.
Бехтерев разработал модификацию пружинного неврологического молоточка, позволяющего наносить удары дозированной силы и таким образом более обоснованно судить об интенсивности рефлекторных двигательных реакций, а также выявлять их асимметрию. Им сконструирован рефлексометр, дающий возможность измерения угла между бедром и голенью при проверке «коленного рефлекса». В возглавляемых Бехтеревым лабораториях применялись и устройства, позволяющие получать графическую запись рефлекторных двигательных реакций, и, в частности, прибор конструкции Зоммера в модификации сотрудника Бехтерева — Срезневского.
Систематическое наблюдение за достижениями современной ему науки и техники и умение вычленять из потока текущей информации важное и перспективное для развития медицины и особенно невропатологии и психиатрии позволяли Бехтереву быстро реагировать на открытия и изобретения, заслуживающие серьезного внимания ввиду значимости в диагностике болезней нервной системы. Так, Рентген открыл неизвестные ранее лучи и получил первые рентгеновские снимки в 1895 году, а уже через несколько месяцев Бехтерев на очередном научном собрании врачей клиники говорил: «Хотя на первый взгляд кажется, что невропатологи и психиатры с меньшим успехом сумеют пользоваться этим способом, чем хирурги и акушеры-гинекологи, так как им приходится иметь дело с тканью, заключенной в малопроницаемую для рентгеновских лучей костную оболочку, но в действительности дело обстоит не так безнадежно». Он отметил тогда, что выявление дефектов строения черепа и позвоночника может дать много полезных сведений для суждения о состоянии нервной ткани. Он надеялся, что в процессе совершенствования методов рентгенологического обследования когда-нибудь, возможно, удастся получать «снимки извилин мозга, видеть различные патологические процессы в сером и белом веществе головного мозга». Задолго до разработки применяемых ныне методов он предвидел, что «сосуды головного мозга могут быть сфотографированы». В 1897 году работавший в клинике Бехтерева студент Г. Вихрев демонстрировал изобретенный им стереоскоп, позволявший видеть стереоскопические рентгеновские изображения. Бехтерев тогда отметил большое значение этого прибора в рентгенологии сосудов, так как он позволит выявить их взаимное расположение. Бехтерев одним из первых указал на возможность биологической активности рентгеновских лучей. В 1897 году его сотрудник Л. М. Пуссеп сделал сообщение «О влиянии рентгеновских лучей на возбудимость мозговой коры». А в 1904 году Пуссеп сделал доклад о биологических свойствах лучей радия.
Накопленный Бехтеревым в 90-х годах клинический опыт дал ему возможность издать в 1899 году второй том книги «Нервные болезни в отдельных наблюдениях», а через год — первый том книги «Неврологические и психиатрические наблюдения». В этих сочинениях Бехтерев продолжил разработку семиотики нервных и душевных болезней и описал, в частности, извращения зрачковых реакций, произвольное расширение зрачков, некоторые болезни нервно-мышечной системы, различные формы навязчивых страхов, изменения артериального давления, сердечного, дыхательного ритмов при поражении у человека определенных территорий коры больших полушарий мозга, редкие варианты эпилепсии, острых нарушений мозгового кровообращения, одеревенелости позвоночника (болезни Бехтерева). Там же содержатся клинические наблюдения сочетания своеобразных насильственных движений с периодически возникающими эпилептическими припадками — это сочетание симптомов Бехтерев назвал хореической падучей. Описание многих патологических состояний сопровождалось объяснением обусловивших их причин. Происхождение некоторых форм патологии Бехтерев объяснял нарушениями биохимических процессов в тканях. Много внимания он уделял рефлекторным механизмам некоторых болезненных явлений.