Николай Иванович родился в 1810 году в Москве в семье военного казначея, майора Ивана Ивановича Пирогова (1772—1826). Мать Елизавета Ивановна Новикова принадлежала к старой московской купеческой семье. Четырнадцатилетним мальчиком поступил на медицинский факультетМосковского университета. Получив диплом, ещё несколько лет учился за границей. К профессорской деятельности Пирогов готовился в Профессорском институте при Дерптском университете. Здесь, в хирургической клинике, Пирогов проработал пять лет, блестяще защитил докторскую диссертацию и в возрасте всего лишь двадцати шести лет был избран профессором Дерптского университета. Через несколько лет Пирогов был приглашён в Петербург, где возглавил кафедру хирургии в Медико-хирургической Академии. Одновременно Пирогов руководил организованной им Клиникой госпитальной хирургии. Поскольку в обязанности Пирогова входило обучение военных хирургов, он занялся изучением распространённых в те времена хирургических методов. Многие из них были им в корне переработаны; кроме того, Пирогов разработал ряд совершенно новых приёмов, благодаря чему ему удавалось чаще, чем другим хирургам, избегать ампутации конечностей. Один из таких приёмов до настоящего времени называется «Операция Пирогова»
В поисках действенного метода обучения Пирогов решил применить анатомические исследования на замороженных трупах. Сам Пирогов это называл «ледяной анатомией». Так родилась новая медицинская дисциплина —топографическая анатомия. Спустя несколько лет такого изучения анатомии Пирогов издал первый анатомический атлас под заглавием «Топографическая анатомия, иллюстрированная разрезами, проведёнными через замороженное тело человека в трёх направлениях», ставший незаменимым руководством для врачей-хирургов. С этого момента хирурги получили возможность оперировать, нанося минимальные травмы больному. Этот атлас и предложенная Пироговым методика стали основой всего последующего развития оперативной хирургии.
В 1847 году Пирогов уехал в действующую армию на Кавказ, так как хотел проверить в полевых условиях разработанные им операционные методы. На Кавказе он впервые применил перевязку бинтами, пропитанными крахмалом. Крахмальная перевязка оказалась удобнее и прочнее, чем применявшиеся раньше лубки. Здесь же, в ауле Салта, Пирогов впервые в истории медицины начал оперировать раненых с эфирным обезболиванием в полевых условиях. Всего великий хирург провёл около 10 тыс. операций под эфирным наркозом (см.:Прочноокопская).
В 1855 году в бытность свою старшим учителем Симферопольской гимназииД. И. Менделеев, с юности испытывавший проблемы со здоровьем (подозревали даже, что у него чахотка), по просьбе петербургского врача Н. Ф. Здекауэра был принят и осмотрен Н. И. Пироговым, который, констатируя удовлетворительное состояние пациента, заявил: «Вы нас обоих переживёте» — предначертание это не только вселило в будущего великого учёного уверенность в благосклонности к нему судьбы, но и сбылось. Почётный член Московского университета ( 1855)