С 1866 года Пирогов жил в своем имении в селе Вишня недалеко от Винницы. Но в качестве консультанта по военной медицине выезжал на театры военных действий во время франко-прусской (1870–1871) и русско-турецкой (1877–1878) войн.

Научная, практическая и общественная деятельность Н. И. Пирогова принесла ему мировую врачебную славу, неоспоримое лидерство в отечественной хирургии и выдвинула его в число крупнейших представителей европейской медицины середины XIX века. Николай Иванович работал в различных областях медицины. В каждую из них он внес существенный вклад, до сих пор не утративший своего значения. Несмотря на почти двухвековую давность, труды Пирогова продолжают поражать читателя оригинальностью и глубиной мысли.

Классические труды Пирогова – «Хирургическая анатомия артериальных стволов и фасций» (1837), «Полный курс прикладной анатомии человеческого тела» с рисунками – анатомия описательно-физиологическая и хирургическая (1843–1848) и «Иллюстрированная топографическая анатомия распилов, проведенных в трех направлениях через замороженное человеческое тело» (1852–1859). Каждая из этих работ была удостоена Демидовской премии Петербургской академии наук и явилась фундаментом топографической анатомии и оперативной хирургии.

Николай Пирогов первым среди российских ученых выступил с идеей пластических операций и первым в мире выдвинул идею костной пластики. Его метод соединения опорной культи при ампутации голени за счет пяточной кости известен как «операция Пирогова», он послужил толчком для развития других остеопластических операций. Предложенный Пироговым внебрюшной доступ к наружной подвздошной артерии (1833) и нижней трети мочеточника также получил широкое практическое применение и был назван его именем.

Исключительную роль сыграл Николай Иванович в разработке проблемы обезболивания. Наркоз был предложен в 1846-м, а уже в следующем году Пирогов провел широкую экспериментальную и клиническую проверку обезболивающих свойств паров эфира. Он изучил их действие в опытах на животных при различных способах введения и на добровольцах, в том числе и на себе.

14 февраля 1847 года, одним из первых в России, хирург провел операцию под эфирным наркозом, продолжавшуюся всего 2,5 минуты; в том же месяце впервые в мире он оперировал под прямокишечным эфирным наркозом, для чего был сконструирован специальный аппарат. Пирогов считал, что возможность применения эфирного наркоза на поле сражения неоспоримо доказана.

Николай Иванович Пирогов внес заметный вклад в историю асептики и антисептики, что наряду с обезболиванием обусловило успехи хирургии в последней четверти XIX века. Хирург проводил противогнилостное лечение ран, используя йодную настойку, раствор азотнокислого серебра, постоянно подчеркивал значение гигиенических мер для лечения больных и раненых. Пирогов также неустанно пропагандировал профилактическое направление в медицине.

Репутация Николая Ивановича Пирогова как практического хирурга была блестящей. Еще в Дерпте операции молодого врача поражали смелостью замысла и мастерством исполнения. В то время обезболивание не проводилось, поэтому операции старались делать как можно быстрее. К примеру, удаление камня из мочевого пузыря либо молочной железы Пирогов проводил за 1,5–3 минуты. Во время Крымской войны 4 марта 1855 года в главном перевязочном пункте Севастополя меньше чем за 2 часа он произвел 10 ампутаций. О том, какой авторитет имел Николай Иванович Пирогов среди международного медицинского сообщества, свидетельствует, в частности, приглашение его для консультативного осмотра к германскому канцлеру Отто Бисмарку (1859) и национальному герою Италии Джузеппе Гарибальди (1862). Лучшие европейские хирурги не могли определить местопребывание пули в теле Гарибальди, раненного при Аспромонте. Пирогов не только извлек пулю, но и вылечил знаменитого итальянца.

Военная медицина многим обязана Пирогову: он создал научные основы отечественной военно-полевой хирургии и совершенно нового раздела военной медицины – организации и тактики медицинской службы. В 1854–1855 годах, во время Крымской войны, Николай Иванович выезжал на места военных действий и принимал участие в организации медицинского обеспечения войск и в лечении раненых. Он стал инициатором привлечения женщин к уходу за ранеными на фронте: так появились сестры милосердия. Для ознакомления с работой перевязочных пунктов, лазаретов и госпиталей в условиях боевых действий он выезжал позднее в Германию (1870) во время франко-прусской войны и Болгарию (1877) – в ходе русско-турецкой. Позднее результаты своих наблюдений Пирогов обобщил в своих работах.

Николай Иванович не рассматривал боевое повреждение как простое механическое нарушение целостности тканей, он придавал большое значение в возникновении и течении боевых повреждений общему утомлению и нервному напряжению, недосыпанию и недоеданию, холоду, голоду и другим неизбежным неблагоприятным факторам боевой обстановки, способствующим развитию раневых осложнений и возникновению ряда заболеваний у солдат действующей армии. Он говорил о двух путях развития хирургии (особенно военно-полевой): выжидательно-сберегательном и активно-профилактическом. С открытием и внедрением в хирургическую практику антисептики и асептики хирургия стала развиваться.

Пирогов является основоположником учения о медицинской сортировке. Он утверждал, что сортировка раненых по срочности оказания, объему хирургической помощи и по показаниям к эвакуации является главным средством предупреждения «сумятицы и неразберихи» в медицинских учреждениях. Для этого он считал необходимым иметь в медицинских учреждениях, предназначенных для приема раненых и больных и оказания им квалифицированной помощи, сортировочное и операционно-перевязочное подразделения, а также подразделение для легко раненных, а на путях эвакуации – сортировочные госпитали.

Огромное значение не только для военно-полевой хирургии, но и для клинической медицины в целом имели работы Пирогова, посвященные проблемам иммобилизации и шока. В 1847 году на Кавказском театре военных действий он впервые в военно-полевой практике использовал неподвижную крахмальную повязку при сложных переломах конечностей. В период Крымской войны он также впервые (1845) наложил в полевых условиях гипсовую повязку. Николай Пирогов подробно охарактеризовал патогенез, изложил методы профилактики и лечения шока; описанная им клиническая картина шока является классической и продолжает упоминаться в учебниках по хирургии. Он описал также сотрясение мозга, газовый отек тканей, выделил «раневую чахотку» как особую форму патологии, известную в настоящее время как раневое истощение.

Важной заслугой Пирогова в области медицинского образования является открытие госпитальных клиник для студентов 5-го курса. Он первым обосновал необходимость создания таких клиник и сформулировал задачи, стоящие перед ними. В 1841 году в Петербургской медико-хирургической академии начала действовать медико-хирургическая клиника, а в 1842 году – первая госпитальная терапевтическая. В 1846-м госпитальные клиники открылись в Московском, Казанском, Киевском и Дерптском университетах с одновременным введением 5-го курса обучения для студентов медицинских факультетов. Так была проведена реформа высшего медицинского образования, способствующая улучшению подготовки врачей.