В 1915 году Николай Нилович становится хирургом-консультантом 2-й армии, а в следующем году – хирургом-консультантом рижских госпиталей. В марте 1917 года приказом Временного правительства Бурденко был назначен исполняющим обязанности главного военно-санитарного инспектора, а в мае того же года на совещании губернских, областных, фронтовых и армейских врачебно-санитарных представителей он резко критикует существующее медицинское обеспечение войск. Понимая, что преодолеть косность и равнодушие чиновников к положению дел не представляется возможным, Николай Нилович решительно отказывается от должности и возвращается в действующую армию. Через два месяца Бурденко получает серьезную контузию, что вынуждает его вернуться в Юрьевский университет, где его избирают заведующим кафедрой хирургии. Во время оккупации Юрьева немцами Николаю Ниловичу Бурденко, единственному из всей профессуры, предложено остаться на своей должности. Но тот отвечает отказом и в июне 1918 года вместе с остальными коллегами по университету эвакуируется в Воронеж.

С первых дней возобновления деятельности Юрьевского университета в Воронеже Бурденко активно включается в научную и практическую работу. Он организует военные госпитали для красноармейцев, курсы по военно-полевой хирургии для студентов, школу медицинских сестер. В память о своем великом предшественнике Николай Нилович в 1920 году учредил Медицинское общество имени Н. И. Пирогова и был избран почетным его председателем. Как хирург и ученый, он исследует вопросы профилактики и лечения шока, раневых инфекций, анестезии, переливания крови, хирургических методов лечения туберкулеза, патогенеза язвенной болезни.

В 1923 году Бурденко переехал в Москву, чтобы возглавить кафедру топографической анатомии и оперативной хирургии медицинского факультета Московского университета. Через год, став директором факультетской хирургической клиники, он организовал в ней профильное нейрохирургическое отделение. В 1929 году по инициативе Бурденко на факультете открылась кафедра военно-полевой хирургии.

В 1930 году медицинский факультет был преобразован в 1-й Московский медицинский институт имени И. М. Сеченова, а годом ранее Бурденко по совместительству принял руководство нейрохирургической клиникой при Рентгеновском институте Наркомздрава. В 1932 году на ее базе возник Центральный нейрохирургический институт – первый в истории медицины (ныне это Институт нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко). Учрежденный при новом институте Всесоюзный нейрохирургический совет всячески способствовал расширению сети нейрохирургических отделений по всей стране, а с 1935 года начал проводить всесоюзные съезды нейрохирургов.

Бурденко использовал свой уникальный опыт организации медицинской помощи в военных условиях и составил первое в этой области отечественное руководство – «Положение о военно-санитарной службе Красной армии».

Наиболее ярко врачебный талант Бурденко проявился в нейрохирургии в 1930-х годах. Николай Нилович разработал и упростил методики проведения операций на головном и спинном мозге, что позволило сделать их более массовыми. Больным с опухолями головного мозга, считавшимися до того неоперабельными, Бурденко дает надежду на исцеление. В 1941 году за работы по хирургии центральной и периферической нервной системы Бурденко будет удостоен Сталинской премии.

Врачи со всего мира считают за честь стажироваться у Н. Н. Бурденко и овладевать под его руководством навыками проведения нейрохирургических операций. Стремительно теряющий из-за старой контузии слух врач на слова восхищения своей работоспособностью шутливо отвечает: «Тот, кто работает, всегда молод. Иногда мне кажется: может быть, труд вырабатывает особые гормоны, повышающие жизненный импульс?»

Однажды, закончив многочасовую операцию, Николай Нилович вышел в предоперационную и крикнул сестре: «Кохер и шарик!» Сестра подала хирургу требуемый зажим.

Тот мгновенно запустил его себе в рот и одним рывком вырвал зуб. Заложив в ранку шарик, Бурденко рассмотрел со всех сторон извлеченный зуб и удовлетворенно произнес: «Так вот кто пять часов меня мучил, негодяй!» Оказалось, что все время, пока длилась операция, хирург испытывал жуткую зубную боль, но никак не показал этого.

Еще в 1936 году на вручении ему ордена Ленина Бурденко признался: «Я провел всю свою жизнь среди бойцов. Несмотря на свою гражданскую одежду я в душе боец». Судьба вновь решила испытать бойцовские качества хирурга в 1939–1940 годах на Финской войне, где Бурденко, уже академик, занимался организацией медицинской помощи, и в годы Великой Отечественной, когда Николай Нилович был назначен главным хирургом Красной армии. Он лично проводил десятки операций в госпиталях и медсанбатах, инспектировал военно-медицинскую инфраструктуру. При переправе через Неву в 1941 году сам врач был контужен, а в конце сентября при осмотре прибывшего в Москву санитарного поезда у Николая Ниловича случился инсульт. Как только появилась возможность двигаться, Бурденко вновь активно включился в работу. В 1942 году он был назначен членом комиссии по расследованию злодеяний немецко-фашистских захватчиков, которая проводила экспертизу по Катынскому расстрелу.

В 1942 году хирург предложил способ профилактики гнойных осложнений после ранения черепа путем введения белого стрептоцида в сонную артерию – наиболее коротким путем к мозгу. По результатам применения первых антибиотиков Бурденко опубликовал «Письма хирургам фронтов о пенициллине». В 1944 году он разработал руководство по профилактике и лечению шока. В июне 1944 года по инициативе Бурденко была учреждена Академия наук СССР.

По ту сторону фронта главным хирургом немецкой армии был знаменитый Фердинанд Зауэрбрух, основоположник торакальной хирургии. Ирония судьбы заключалась в том, что Зауэрбрух был давним другом Бурденко: они познакомились во время посещения Николаем

Ниловичем германских клиник, немецкий коллега также приезжал к Бурденко в Институт нейрохирургии. В апреле 1945 года из вражеского бункера русские солдаты вывели одетого в генеральскую форму изможденного человека. Один из учеников Бурденко признал в нем профессора, когда-то остававшегося переночевать на диване директора Института нейрохирургии. Врач рассказал Николаю Ниловичу о случайной встрече. «Какой талантище пропал! Мог бы служить человечеству, а служил Гитлеру», – ответил Бурденко и велел передать ему несколько банок консервов и ветчины (тогда это был шикарный подарок). Когда немец взял в руки присланный другом пакет, его плечи затряслись и он, не сдерживая себя, тихо заплакал.