По возвращении из Парижа при содействии Луи Пастера в Одессе учреждается первая в России и вторая в мире бактериологическая станция и впервые проводится вакцинация людей против бешенства. Благодаря трудам И. И. Мечникова, учителя по университету, с которым его связали общая работа по вопросам бактериологии, совместные опыты по изучению сибирской язвы, возбудителя туберкулеза, и самого Н. Ф. Гамалеи эта лаборатория получила мировую известность. Сюда приезжали заболевшие из Санкт-Петербурга, Сибири, с Кавказа, даже из Турции и Австрии. Приезжали и многие врачи, чтобы обучиться опыту работы. Н. Ф. Гамалея собрал огромный практический материал, позволивший ему усовершенствовать вакцины, описать паралитическую форму бешенства, не известную прежде. Он выступил главным защитником Луи Пастера, потому что на Западе то и дело возникали сбои при применении вакцин Луи Пастера. В Англии работы французского врача по прививкам проверяла специально созданная комиссия. Луи Пастер попросил Н. Ф. Гамалею приехать, и российский ученый предоставил комиссии богатый практический материал по прививкам, накопленный в Одессе. Это во многом способствовало прекращению нападок на Луи Пастера и признанию его метода вакцинации. Великий ученый был очень признателен Н. Ф. Гамалее за его поддержку, кроме того ценил российского врача за его большой практический опыт и знания. Он написал Н. Ф. Гамалее письмо, которое заканчивалось следующими словами: «Примите, добрый доктор, вновь мои искренние пожелания и мои живые симпатии за Ваши редкие заслуги».
Н. Ф. Гамалея – выдающаяся личность, вдумчивый исследователь-аналитик и, прежде всего, борец за жизни людей, их здоровье. В 90-е годы он принимает участие в борьбе с холерными эпидемиями в Одессе, Саратове, Санкт-Петербурге, Баку, едет на ликвидацию чумы в Закавказье. Еще на заре своей научной деятельности он отдает много сил для изучения холеры, разрабатывает план борьбы с холерой в городах путем оздоровления водоснабжения, канализации. В 1902 г. Н. Ф. Гамалея участвует в ликвидации вспышки бубонной чумы в Одессе. Впервые в истории под его руководством был организован большой отряд для борьбы с крысами. Он – один из основоположников дератизации – истребления опасных в эпидемическом отношении грызунов. Много занимался Н. Ф. Гамалея натуральной оспой, он разработал новый, усовершенствованный способ получения оспенного детрита.
В первые годы советской власти Н. Ф. Гамалея возглавил борьбу с оспой. В 1918 г. по его рекомендации был издан декрет о всеобщем обязательном оспопрививании.
В 1910–1913 гг. ученый на личные средства издавал и редактировал журнал «Гигиена и санитария», где нашли отражение насущные проблемы охраны здоровья населения. Он считал «первой задачей гигиены» изучение влияния внешней среды на здоровье человека.
В своем журнале Н. Ф. Гамалея писал: «Печальная картина уровня здравоохранения в России заключается в том абсолютном пренебрежении, с которым к делу народного здравия относятся общество и главным образом государство».
В ряде статей, опубликованных в журнале «Гигиена и санитария», он указывал на то,
Н. Ф. Гамалея являлся инициатором группы врачей-общественников в Санкт-Петербурге, создавшим «совещание ночлежных врачей». Это была полуофициальная организация, занимающаяся разработкой вопросов, связанных с оздоровлением ночлежных домов, наблюдавшая за их санитарным состоянием, домами, которые содержались городскими властями и частными владельцами домов, где жили и ночевали бездомные люди. «Существование ночлежных домов, – этого страшного порождения капиталистического строя и неизбежных при нем безработицы, голода, обнищания – было позорным пятном на совести царского правительства», – говорится в «Очерках о выдающихся деятелях естествознания и техники», выпущенных в 1963 г.
Не позорно ли для нас, людей, живущих в XXI в., констатировать следующее: нет царя, нет царского правительства – настала эпоха демократии. И что же стало с теми людьми, которые, по разным причинам, остались без крова, без пропитания? Посмотрите вокруг, спросите у них – обездоленных и бездомных, есть ли у них сейчас, в эпоху развитой демократии, вообще хоть какой-нибудь приют или ночлежный дом, как в те далекие времена?..