行为主义研究在积累势力的途中，除了这门学说最执着的追求者外，人人都很清楚，老鼠和其它实验动物经常以这门学说无法解释的方式行动。
一方面，它们的行为经常不符合所谓的万用条件形成原理。“鸽子，老鼠，猴子，哪个是哪个呢？可这并不重要”，斯金纳曾写道，可这的确很重要。研究者们可以很容易地教会一只鸽子去啄一块圆片或者开启食物门的钥匙，可是，他们发现几乎不可能让这种鸟类扇动翅膀来取食。他们可以轻松地教一只老鼠压下挡杆取食，可是，却要花天大的劲才能让一只猫也这样做。给一只老鼠喝发酸的海水，然后喝一种恶心的药水，他会避开发酸的水，却愿意喝海水；对鹌鹑进行类似试验，它会避开海水，却愿意喝发酸的水。这些比较得来的成果迫使行为主义者承认，每个物种都有其自己内部的电路原理，使它很容易地通过本能来学习一些东西，另外一些却有困难，而还有一些一点也不会。学习的原理远远本是放之四海而皆准的。
行为主义心理学更为严重的一个错误是，实验动物经常以一些不能够按照很清晰明白的反应曲线率来行动。例如，许多研究者都曾发现，在一次反应消除尝试的开始，一种动物会以更大的精力来对刺激作出反应，不似它们在长时期的强化训练中那样。一只一直通过按动横杆取一颗饲料的老鼠，如果发现没有饲料，它会一次又一次更用力地按动横杆，而按照严格的行为主义学说，奖励的缺失会使反应强度减弱，而不是增强。
但是当然，人类亦是如此。当一台自动售货机不再发货时，客户会更用力地推拉几下，甚或敲打或者踢几脚，要么是发泄，要么是以为哪个地方卡住了，需要再踢一脚。行为主义学说对此内部的过程没有什么解释，特别是对问题的思考不予解释，可是，若干行为主义者注意到，他们的老鼠有时候的行为看起来好像是在做些基础的目标型思考。
一位著名的研究人员爱德华·查斯·托尔曼（1886－1959）了解这种情况，他是赫尔同时代的著名人士，也是30和40年代著名的新行为主义者。他观察到，一只老鼠跑过几次迷宫之后，它会在某个地方停下来做决定，左边看看，右边看看，往前走一点，也许再往回跑一点，都是在作出决定并继续进行之前发生的。他在1938年就任美国心理学协会主席时的致辞中说，很清楚，老鼠是在脑袋里面进行“替代性的试误法”。“从人类的角度来看，”他说，“老鼠似乎是在进行‘三思而后行’之类的把戏。”
这是托尔曼在老鼠的许多行为当中找出的一部分例子，他认为，这些行为只能解释成老鼠的头部有某种过程在进行中。几年以前，他和一位同事曾制作过一只简单的迷宫箱，里面有三条通向目标盒的路径。最短的那条是从启始处直通目标盒的；第二条稍长一些，向左弯了一下然后在中途接入最短的直路，距目标盒尚有一半的路程；第三条最长，向右转了很长的弯，然后才在靠近目标盒的地方接入最短的那条直路。经过一系列试验后，老鼠按行为主义的理论所预测的那样三条路都跑过，然后学会了选最短的那条直路，因为这是最容易建立起来的习惯。
然后，托尔曼在直路的中途设了一道障碍，这样的话，老鼠只能通过最长的那条路才能取到食物。按照行为主义理论，当老鼠顺着直路跑下去然后发现障碍时，它应该绕回头来试下一个最容易建立起习惯的路径——即中等长度的那条——可它立即就选了最长的那条。对托尔曼来说，这意味着，老鼠已经建立起了这整个迷宫的某种思维全图，并“意识到”障碍物挡住所有的路径，只除开最长的哪条。
托尔曼进行过许多类似的实验，其中大部分的实验都要复杂得多，可所有的实验都支持他的观点，即，“老鼠的大脑里已经建立起了这个环境的某种类似场图的东西。”他说，标准的行为主义理论只提供了迷宫学习的部分解释：“我们同意……穿迷宫的老鼠经受着刺激，作为这些刺激的结果，它最终导向实际发生的反应。可是，我们感觉到，其中的大脑活动更为复杂，更有模式，而且，从实用主义的角度来看，比刺激－反应论心理学家的自主能力更大。”
这些研究导致托尔曼推敲出一种他叫做“目标性的行为主义”的学说。它的基本意思是，老鼠并非作为一种自动机而产生行为，它们并非完全按照自己所体验的刺激的次数和种类而形成习惯，而是，就好像，它们还受到自己的期盼、它们认为某种东西在某种情况下会导致某种结果的知识、它们的目标和其它一些内部的过程或者状态的影响。如一位正统的行为主义者所嘲笑的那样，托尔曼的老鼠已经“陷入了沉思”。
托尔曼把这种内部的因素称作“干扰变量”（它们会干扰刺激－反应过程），并坚持认为，它们与行为主义是相兼容的，并行不悖的。“对于行为主义者来说，”他写道，“‘精神过程’应该被承认而且按照它们所导向的行为的术语来定义。（它们）是看不见的，可都是推断出来的、行为的决定因素……行为和这些推断出来的决定因素都是客观的，是有定义的存在类型。”这是在尽力维护行为主义的理论，可是，托尔曼不管愿意不愿意都还是在行为主义的大堤上掏了一个细缝，导入了一小滴思维。到时候，它会变成一场洪水。
如果奖励和重复只能部分地解释老鼠的行为，则它们对人类行为的决定因素和工作机理的解释就会更有限。拿记忆作比。行为主义者以纯粹数学的术语来描述它：尝试和强化的次数越多，奖励越多，刺激和反应的时间就越接近，刺激产生反应的可能性就越大。如果刺激是诸如“5之后是什么”？这个问题，反应就是“6”。如果刺激是“你的电话号码是多少？”答案就是一串7位的数字（包括区号在内有10位）。第一位数字是对总是的反应，可也是能够产生第二位数字这个反应的刺激，等等，其方式是一串联想联系。
可是，就算在行为主义时代的高涨时期，心理学家们也都知道，人类的记忆比这个复杂得多。一方面，我们“整块”记忆某些信息：比如，我们把区号作为一个单元来记忆，而不是作为一系列互有连接的反应。另外一方面，我们有不同种类的记忆：我们可以暂记住某些电话号码，我们查出号码，暂时记住，直到拨号，然后立即把它忘记掉，可同时，我们还会记忆“长效记忆”的东西（我们把认为需要的东西当作知识长期堆积在仓库里）。某些东西需要无数次的重复和奖励才能固定在记忆里面（很多人好像记不住自己的社会安全代码，曾经看过几十次也记不住）；其它一些东西（在某家饭馆进餐付的一次特别贵的账，孩子说的第一句话）只需要经历一次就能在记忆里保持很长的时间。人类记忆的这些特点和许多其它的特点，并不能用行为主义狭隘和古板的公式来解释。
在整个行为主义时代，一些心理学家持续不断地以更为宽泛，更为深刻的方法来探索人类的记忆，不仅如此，他们还探索行为主义曾经没有注意到的一些心理学现象，如感觉、动机、性格特征、推理、解决问题、创造力、儿童发展、遗传倾向和经验之间的内部作用还有人际关系。慢慢地，关于这些话题而收集起来的数据，和这些数据提出来的一些行为主义不能够回答的问题，为托马斯·库恩在他对科学革**命的著名分析中表达的新理论铺平了道路，这就是他叫做“范式转移”的东西——向一种新学说相对突然的转移，它囊括积累起来的大量数据，并使这些按照目前的学说很难解释的数据产生意义，如果这些数据是有意义的话。
同时，其它领域里进行的一些研究也开始对思维的工作机制带来新的曙光了。从人类学里，得出了有文字以前的人类如何思想的研究；从心理语言学中，得出了人类如何获取并使用语言的知识；从计算机科学中，人们知道了一种全新的设想思维的办法——像信息处理一样，一步一步地往前进，就像一道计算机程序。
到60年代，所有这些影响开始汇集成一种有关思维和行为的观点，称作“认知科学”——没有超自然存在并建立在实验方法上的一种认识论，通过它，人们可以对精神过程进行合理的推断。
随着认知科学的到来，行为主义很快失去了它在心理学中颐指气使的地位，它不再是像它宣称的那样一种足以解释所有行为的方法。公爵大学的格列高利·金布尔总结了心理学家们对行为主义幻想的灭失：
虽然古典的学说以简单的学习理论形成并经过了检验，但是，在一切的背后，总是有一种假定，即这些理论可以应用到所有的行为之中去……（而且，）学习的大部分基本法则已经被寻找出来，而留下来的只是一些无足轻重的小问题，这些解决系统分类的小问题只不过是把一些主要的理论家们区分开来而已……（然而，）到本世纪中期，事情已经很清楚了，古典的学习学说在范围上受到局限，我们的科学知识已经上升到的高度还在伽利略以前，而不是在牛顿以后，如赫尔和其它一些人曾思考过的一样。
奇怪的是，只有当行为主义已经日薄西山、日渐式微的时候，其子属支流行为疗法才被广泛使用，并合乎情理地成为对范围有限的一些心理疾病，特别是恐惧症非常成功的疗法。
行为疗法正确的地方——它有用，但是用途有限——与其附属的行为主义理论是类似的。它不是一种谬误的学说，而是说，它只能解释最基本的一些行为形式，而这些行为只是老鼠心理的一部分，也是人类心理学的极小的一个部分。对它的成就的一个极端评论见于1968年一位心理学家尼西米亚·约但的说法：
现代美国科学心理学是在一片不毛之地上白费精力的不孕专家。数年辛勤劳动和数百名教授及数千名学生不懈的努力得出的成果几乎是一个零……自那个“划时代的”时刻（华生1913年的宣言）以来，53年的时光已然过去，可不可以指出对于人类知识的增长有一点积极意义的任何贡献来？一点都找不出来。
尽管失望的很多人并非都如此激烈地批评行为主义，可是，在60年代，越来越多的心理学研究和教学中心都从行为主义向认知理论转移了。到70年代，行为主义在很大程度上已经被挤了出来，被新的、更为多样化的心理学所替代，这些新的流派研究更为深刻和更为广泛的内容。