Теории бихевиоризма, с которыми столкнулся Толмен, противопоставляли себя психологии. Ученый поставил задачу избавиться от этого противопоставления, определив понятия психологии сознания через данные поведения.
Вместе со своими студентами Толмен проводил эксперименты по латентному научению, методу проб и ошибок, примененному к обучению крыс. Так как его теория занимала промежуточное место среди распространенных в то время различных теорий, Толмену необходимо было найти признание среди коллег-бихевиористов, а также показать, что он в состоянии оценить все сложности поведения. Результаты этих исследований, опубликованные в середине 1920-х гг., расходились с теориями «стимул-реакция», доминировавшими после 1930 г.
В книге «Целенаправленное поведение у животных и человека», изданной в 1932 г., Толмен описал свою теорию, возникшую на основе проведенных лабораторных исследований. Основой этой теории стали введенные им понятия промежуточных переменных, представляющих собой совокупность познавательных и побудительных факторов, действующих между непосредственным стимулом и ответным поведением. Выводя основные принципы теории, Толмен основывался на двух классах промежуточных переменных: по-требностных, как например потребность в пище, безопасности, сексуальное влечение, и познавательных (восприятие, умения).
Главной задачей психологии Толмен считал сведение психических явлений к серии функциональных отношений, при помощи которых можно их предсказывать и контролировать. В качестве основной предпосылки он брал утверждение о том, что низшие и высшие животные познают мир только в целях поведения. Отсюда он делал вывод, что, если в мире есть что-то, что не может быть познано таким способом, значит, оно не может быть познано вообще.
В своих теориях Толмен называл поведение молярным, противопоставляя это понятие существовавшей в то время теории «молекулярного» поведения. По его мнению, акт поведения — это психологическое образование, являющееся качественным, специфическим целым, не сводимым к совокупности отдельных физиологических компонентов. В таком случае задачу психологии можно понимать как изучение поведения в этой его психологической специфичности, в особенностях, которые отличают его от физических и физиологических компонентов, лежащих в его основе.
Толмен считал, что немецкий язык очень важен для его теории. И для того чтобы изучить этот язык, он даже ездил в Германию, где познакомился с Куртом Коффкой. По его мнению, английский, родной язык ученого, как бы приспособлен для восприятия всех явлений по отдельности. В немецком языке, по сравнению с другими, очень велика доля многосоставных слов, что, по словам ученого, подтолкнуло к новой оценке зависимостей, которые он наблюдал в поведении крыс.
По Толмену, организм вырабатывает по отношению к объектам среды конкретную установку, которую можно определить, как готовность соотнести средства и цели еще до того, как совершается реакция. Он выучивается знанию о том, «что к чему ведет» и «что откуда следует», приобретает своеобразную систему ожиданий.
После 1930 г. в теории научения стали доминировать теории Халла и его коллег, изучающие взаимовлияние стимула и реакции. Толмен оказался в оппозиции, его теории не принимались общественностью. В начале 1940-х гг. он вернулся к изучению латентного научения, однако занимался уже не столько продолжением разработки собственных взглядов, сколько направил свои усилия против восторжествовавшей теории «стимула-реакции». Приводя в пример опыты с крысами в лабиринте, Толмен считал, что только с помощью промежуточных переменных можно объяснить, как подопытные животные приобретают навыки прохождения лабиринта. По его мнению, в процессе научения животные намечали и постепенно проверяли своеобразные «гипотезы», у них существовали ожидания, установки и готовность реагировать.
Основываясь опять же на лабиринтных опытах, Толмен подверг сомнению законы упражнения и эффекта, принятые в теории «стимула-реакции». Истинный смысл упражнений, считал он, состоит вовсе не в упрочнении связей между раздражителем и ответной реакцией, а в образовании определенных познавательных структур. Что касается закона эффекта, в котором говорится о том, что любое движение не сохранится без прямого подкрепления его состоянием удовлетворенности или дискомфорта, то Толмен считал, что этот закон далеко не универсален. В своих исследованиях он показал, что процесс научения происходил и в тех случаях, когда подкрепление отсутствовало.