Николай был нищ, но счастлив. Он сидел на лекциях в шинели, потому что на студенческий мундир денег не было, питался из рук вон плохо, но легко постигал науки и чувствовал, что вскоре сможет обогнать своих наставников. Окончив в 1828 г. университет и получив звание лекаря, Пирогов в числе лучших выпускников был направлен в Дерпт (Тарту, Юрьев), где открылся профессорский институт. И хотя он мечтал заняться физиологией, а на практике лучше всего освоил анатомию, внутренний голос подсказал Николаю выбрать своей специализацией хирургию.
Пирогов учился оперировать в те годы, когда не знали причин заражения ран, не было обезболивающих препаратов, когда последствие горячки сводило на нет все мастерство хирурга. Его дни были заполнены до предела: лекции, учебные операции, написание статей и перевод научных работ с немецкого и французского, глубокое изучение литературы и, конечно, анатомический театр, в котором он возился с подопытными собаками, телятами и человеческими трупами. Николай стремительно становился непревзойденным операционным техником, но желание «постичь все», целеустремленность помогали ему делать выводы огромной важности как для теории, так и для практики хирургии. В доме профессора И. Мойера, где Пирогов проживал и стажировался, его увлеченность воспринималась как чудачество. Даже в обществе, за обеденным столом, не замечая удивленных взглядов, он говорил о трупах, вскрытиях, операциях, сыпал терминами.
В 1832 г. Николай Иванович блестяще защитил докторскую диссертацию о перевязке брюшной аорты, которая стала новым словом в хирургии, а его сочинение на тему операций на сосудах было удостоено золотой медали. Так в двадцать шесть лет Пирогов стал профессором хирургии. Он отправился в Берлин, чтобы учиться дальше, но оказалось, что светила хирургии поспешно читали его диссертацию, переведенную на немецкий. Единственное, что перенял молодой ученый – чистоту хирургических приемов геттингенского профессора Лангенбека.
Возвращаясь домой в 1835 г., Пирогов тяжело заболел и был оставлен для лечения в Риге. Но, едва выздоровев, он начал оперировать: провел редчайшую ринопластическую операцию, выкроив безносому цирюльнику новый нос, затем последовали литотамии, ампутации, удаления опухолей. Тем временем обещанную ему московскую кафедру отдали другому кандидату, и в ожидании новой должности Николай Иванович работал в петербургских больницах, читал врачам курс хирургической анатомии – новой науки, которую он разрабатывал. В 1836 г. И. Мойер передал бывшему ученику свою клинику в Дерпте, и вскоре его утвердили профессором хирургии Дерптского университета.
Слава о чудесном хирурге быстро распространилась по всему краю. Люди приезжали к Пирогову за помощью, а во время отпуска он сам ездил по небольшим городам, деревням и оперировал больных. Интересно, что о Пирогове как о научном хирургическом чуде вещали пасторы в своих приходах. Врач всегда безотказно помогал людям. Чудесным доктором звали в народе Николая Ивановича.
Пирогов даже внешними привычками мало походил на старую профессуру. Порывистый, шустрый, увлекающийся, он всегда был искренен в своих поисках истины. Своим девизом Николай Иванович сделал абсолютную научную честность. «Я положил себе за правило, при первом моем вступлении на кафедру, ничего не скрывать от моих учеников», – говорил он. Так всего через год практики Пирогов выпустил «Анналы хирургического отделения клиники Дерптского университета…», где впервые в истории медицины опубликовал такой честный анализ врачебных ошибок, в том числе и собственных. И. Павлов назвал "Анналы" подвигом. Но самым значительным сочинением Николая Ивановича дерптского периода стала «Хирургическая анатомия артериальных стволов и фасций» (1837 – 1839 гг.). Этот труд был удостоен Российской академией наук Демидовской премии. Именно с него начинается созданная Пироговым новая наука – хирургическая анатомия. Величайшей заслугой Николая Ивановича в области хирургии является именно то, что он прочно и навсегда закрепил связь анатомии с хирургией и тем самым обеспечил ее прогресс и развитие в будущем.
Однако Пирогову кажется, что он еще не всему научился. Николай Иванович отправился во Францию, но в парижских клиниках и госпиталях не находит ничего неведомого. А знаменитого профессора хирургии и анатомии Вельпо он застал за чтением своей «Хирургической анатомии…», которая была переведена на все европейские языки, в том числе и на русский (оригинал на латинском и немецком). И теперь, когда его имя уже было известно по всей Европе, Пирогову предоставили кафедру в Медико-хирургической академии в Петербурге (1841 г.), которая находилась в подчинении военного ведомства.