Мятежная романтика революции будоражила молодые сердца. Сколько судеб было поломано в самом их начале в поисках справедливой жизни и в ожидании перемен! В жернова истории чуть было не попал и Бурденко. Его и многих его товарищей за участие в первой томской забастовке студентов исключают из Томского университета. В какой-то момент показалось, что все перенесенные тяготы и неимоверные усилия по их преодолению были напрасны, и покаянную головушку ждала родная Каменка, отчий дом. Николай представил, каким торжествующим будет взгляд отца, отворяющего перед ним дверь… Бурденко подает прошение о восстановлении в университете, при этом ему приходится изображать искреннее раскаяние в совершенных поступках. К счастью, профессуре, не желающей ставить крест на перспективном студенте, удается убедить начальство в удовлетворении просьбы бывшего бунтаря. Но волнения в рядах студентов не утихают, и в 1901 году Бурденко вновь попадает в число неблагонадежных. От греха подальше Николай решает воспользоваться возможностью перевестись на медицинский факультет Юрьевского (ранее – Дерптского) университета (ныне Тарту, Эстония).

В городе Юрьеве с глубоким почтением относились к медикам, ведь здесь семь десятков лет назад, перед приездом Бурденко, порог Дерптского университета переступил тезка Бурденко – Николай Иванович Пирогов, впоследствии возглавивший университетскую кафедру хирургии. С огромным почтением в Юрьеве относились и к его имени, и к его трудам. Благоговение перед наследием великого хирурга передалось и Бурденко. Он часами засиживался над книгами Пирогова, и они еще больше укрепили его в намерении стать хирургом.

Работа во время эпидемии тифа в Херсонской губернии в составе санитарного отряда дает Николаю необходимые практические навыки и немного поправляет его материальное положение. В Юрьеве ему предложили стать помощником ассистента кафедры хирургии, и он с энтузиазмом соглашается.

Вероломное нападение японского флота на русскую эскадру близ Порт-Артура в ночь на 27 января 1904 года стало началом кровопролитной Русско-японской войны. Бурденко отправляется добровольцем в Маньчжурию, где исполняет обязанности помощника врача. Он бесстрашно трудится на передовой, оказывает помощь раненым не только на перевязочных пунктах и в лазаретах, но и в окопах под градом неприятельских пуль. В июне 1904 года в бою под Вафангоу Николай получает ружейное ранение в руку, к счастью, неопасное. Его героизм на поле боя будет отмечен Георгиевским крестом.

Одновременно с беспримерным подвигом русских солдат Бурденко наблюдает ужасающую бесчеловечность со стороны властей. Организация медицинской помощи была не просто плохой – она, по сути, отсутствовала, будто системы военно-полевой медицины, разработанной еще Пироговым, не существовало вовсе. На передовой обнаружился дефицит всего самого необходимого: медикаментов, перевязочного материала, транспорта. Раненые сутками лежали под открытым небом, дожидаясь эвакуации, и мало кто доживал до прибытия подводы. Бурденко позже напишет: «Под Мукденом потеряно 25 тыс. раненых, потому что на всю армию была всего 1 тыс. повозок».

В декабре 1904 года Бурденко вернулся в Юрьев и начал подготовку к выпускным экзаменам, совмещая ее с работой в хирургическом отделении рижской городской больницы. В 1906 году он блестяще сдает экзамены и получает диплом лекаря с отличием. Практическую хирургическую деятельность Николай Нилович продолжает в Пензенской земской больнице, однако образование нельзя было считать полным без защиты докторской диссертации. Выбор темы пал на изучение функции печени павловским методом экспериментальной физиологии. По результатам проведенных исследований в марте 1909 года Бурденко защищает докторскую диссертацию «Материалы к вопросу о последствиях перевязки воротной вены».

По сложившейся традиции Николай Нилович, получив степень доктора медицины, летом 1909 года отправился на годовую стажировку за границу – в Германию и Швейцарию и по возвращении занял место приват-доцента, а затем экстраординарного профессора кафедры хирургии Юрьевского университета. В 1910 году в журнале «Русский врач» опубликована его первая работа по нейрохирургии «К вопросу о пластической операции на корешках спинного мозга». На X съезде хирургов Бурденко делает доклад об интратрахеальном наркозе кислородэфиром. В 1911 году в Петербурге выходит еще одна статья Бурденко «О последствиях гастроэнтеростомии».

1 августа 1914 года Германия объявила войну России, ПЯТЬЮ днями позже к Германии присоединилась Австро-Венгрия, и в войну вступили другие европейские государства. Первая мировая война поражала не только числом участвовавших в ней стран, но и тем, что во время нее впервые были широко применены все современные средства уничтожения: артиллерия, авиация, бронемашины, отравляющие вещества. Ежедневно в сражениях гибли и получали ранения десятки тысяч человек. Бурденко с самого начала военной кампании находится на фронте и в сентябре 1914 года в качестве консультанта медицинской части Северо-Западного фронта принимает участие в наступлении на Восточную Пруссию и в Варшавско-Ивангородской операции. Николай Нилович сутками оказывает раненым первую медицинскую помощь, работая в операционной.

Со времени Русско-японской войны в организации медицинской помощи практически ничего не изменилось, и положение армии становилось от того еще более катастрофичным: в строй возвращалось не более 50 % от получивших ранения солдат и командиров. Бурденко лично организовал эвакуацию более 25 тыс. раненых и усовершенствовал методы их сортировки. В частности, в лазаретах были организованы специальные отделения для раненых в живот, грудь и голову. В Жирардове и Риге Николай Нилович создал, к примеру, первые нейрохирургические госпитали, пациентами которых стали около 4 тыс. бойцов, и впервые применил открытый метод лечения черепномозговых ранений.

Смертность среди раненых в живот была крайне высокой во многом потому, что таких пострадавших было принято эвакуировать в находящиеся далеко от линии фронта госпитали. Бурденко решает изменить этот подход и организовывает экстренную помощь раненым силами передовых хирургических отрядов в полевых условиях.