В июле 1914 года, с началом Первой мировой войны, Николай Бурденко заявил о желании отправиться на фронт, и был назначен помощником заведующего медицинской частью Красного Креста при армиях Северо-западного фронта. В сентябре 1914 года прибыл в действующие войска в качестве консультанта медицинской части Северо-Западного фронта, участвовал в наступлении на Восточную Пруссию, в Варшавско-Ивангородской операции. Организовывал перевязочно-эвакуационные пункты и полевые лечебные учреждения, лично оказывал тяжело раненым неотложную хирургическую помощь на передовых перевязочных пунктах, попадая при этом нередко под обстрел. Успешно организовал эвакуацию более 25 000 раненых в условиях военной несогласованности и ограниченности санитарного транспорта. Для уменьшения смертности и числа ампутаций Бурденко занимался проблемами сортировки раненых (чтобы раненых направляли именно в те лечебные учреждения, где им могла быть оказана квалифицированная помощь), скорейшей их транспортировки до госпиталей. Высокая смертность раненых в живот, которых перевозили на далёкие расстояния, побудила Николая Бурденко организовать возможность быстрого оперирования таких раненых в ближайших к боевым действиям лечебных учреждениях Красного Креста. Под его управлением в лазаретах были организованы специальные отделения для раненых в живот, в лёгкие, в череп. Впервые в полевой хирургии Николай Бурденко применил первичную обработку раны и шов при повреждениях черепа, впоследствии перенеся этот метод в другие разделы хирургии. Он подчёркивал, что при спасении жизни раненых в крупные и особенно артериальные сосуды большую роль играет «административная сторона» дела, то есть организация хирургической помощи на месте. Под влиянием работ Пирогова, Н. Н. Бурденко тщательно изучал организацию санитарной и противо-эпидемической службы, занимался вопросами военной гигиены, санитарно-химической защиты, профилактики венерических заболеваний. Участвовал в организации медико-санитарного снабжения войск и полевых лечебных учреждений, патологоанатомической службы в армии, заведовал рациональным распределением врачебных кадров. С 1915 года Николай Бурденко был назначен хирургом-консультантом 2-й армии, а с 1916 года — хирургом-консультантом госпиталей Риги. Ученый-фронтовик, Бурденко то и дело встречал противодействие со стороны чиновников, стоявших во главе царской армии. Только Советская власть дала возможность широко развернуться его организаторскому и научному таланту. В 20-х и 30-х годах друзья и ученики видели профессора Бурденко в гражданском костюме, но ученый не забывал о печальном опыте минувших войн. Он составил первое в нашей стране "Положение о военно-санитарной службе Красной Армии". Добивался того, чтобы советские военные медики получали самые совершенные лекарства, инструменты, чтобы они умели оказать самую быструю медицинскую помощь. В 1934 г. по инициативе Бурденко в Москве был создан первый в мире нейрохирургический институт.

Особенно интересовало Бурденко лечение мозговых опухолей. Проницательными глазами и "умным" ножом Николай Нилович с каждым годом проникал все глубже в мозг человека и добирался до опухолей, которые прежде считались недоступными. Операции на мозге до Бурденко производились редко и насчитывались во всем мире единицами. Советский нейрохирург разработал более простые методы проведения этих операций и тем самым сделал их массовыми. Кроме того, он предложил ряд оригинальных операций, какие до него никогда не производились. Тысячи людей были спасены от смерти и тяжелых болезней благодаря тому, что профессор Бурденко открыл возможность производить операции на твердой оболочке спинного мозга, пересаживать участки нервов, оперировать на самых глубоких и ответственных участках спинного и головного мозга. Хирурги Англии, США, Швеции и других стран специально приезжали в Москву, чтобы приобщиться к новым идеям и поучиться у советского ученого, как делать эти сложные операции. В 1941 г. за выдающиеся работы по хирургии нервной системы правительство присудило Бурденко Государственную премию первой степени.

Николай Нилович Бурденко горячо любил свой народ, свою Родину. Им он отдавал все силы, весь талант.  В первые дни Великой Отечественной войны Николай Нилович был назначен на пост Главного хирурга Красной Армии. Его видят и в госпиталях Ленинграда, и под Псковом, и в отбитом у врага Смоленске, и в других фронтовых и прифронтовых районах. Он собирает огромный материал о ранениях и создает учение о боевой ране. В письмах к руководителям военно-медицинской службы Бурденко требует применения самых новейших и наиболее эффективных способов лечения. Во главе бригады врачей он лично испытывает во фронтовых госпиталях новые лекарства - стрептоцид, сульфидин, пенициллин. Вскоре по его настоянию эти замечательные лекарства стали применять хирурги всех военных госпиталей. Многие тысячи раненых солдат и офицеров были спасены благодаря беспрестанным научным поискам, которые всю войну проводил Бурденко.

Когда началась Великая Отечественная война, Николаю Ниловичу было уже 65 лет. В 1941 г. при переправе через Неву он попал под бомбардировку и был контужен. Сказались годы, напряженная работа, прежние ранения и контузии. Одно за другим он перенес два кровоизлияния в мозг. Но богатырский организм Бурденко не сдавался. Превозмогая болезнь, Николай Нилович трудился, не покладая рук. В 1944 г. по плану, разработанному Бурденко, Советское правительство создало Академию медицинских наук СССР. Николай Нилович был избран первым президентом молодой академии. Летом 1946 г. у него произошло третье кровоизлияние в мозг. Казалось бы, это конец. Но, находясь при смерти, он пишет доклад об огнестрельных ранениях. Один из сотрудников Бурденко зачитал этот доклад делегатам XXV Всесоюзного съезда хирургов. С глубоким волнением слушали его делегаты съезда. "Я преклоняюсь перед волей этого человека..." - сказал один из ведущих советских хирургов. То была "лебединая песнь" Бурденко. Через десять дней его не стало. Скончался от последствий кровоизлияния 11 ноября 1946 года в г. Москве. Урна с прахом захоронена на Новодевичьем кладбище Москвы. (участок 1, ряд 42, место 16). На могиле установлен памятник работы скульптора Г. Постникова.