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 факультет Московского 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»