Хирург и анатом, естествоиспытатель и педагог, создатель первого атласа топографической анатомии, основоположник военно-полевой хирургии, основатель анестезии. Один из основоположников хирургии как научной медицинской дисциплины. Разработал ряд важных операций и хирургических приемов, первым предложил ректальный наркоз и начал использовать эфирный наркоз. Впервые в мире применил наркоз в военно-полевой хирургии.
Пирогов впервые широко применил гипсовую повязку. До этого гипс в медицине почти не использовался. Ограниченное применение имела крахмальная повязка, медленно высыхающая, размокающая от гноя и крови и неудобная в полевых условиях.
Во время обороны Севастополя привлек женщин к уходу за ранеными на фронте. Также именно он впервые ввёл обязательную первичную сортировку раненых на четыре группы. Смертельно раненным помощь оказывали священники и медсёстры, тяжелоранеными, требующими немедленной помощи, врач занимался в первую очередь. Тех, кому не требовалась срочная операция, отправляли в тыл. Легкоранеными, которых можно было быстро вернуть в строй, занимались фельдшеры.
Ещё до появления антисептиков Пирогов отделил раненых с гнойными и гангренозными осложнениями от тех, у кого раны были чистыми, что помогало избежать распространения инфекции.
Как педагог Пирогов стремился к осуществлению всеобщего начального обучения, был организатором воскресных народных школ. Также он боролся за отмену телесных наказаний в гимназии