В 1885 году Пильчиков становится приват-доцентом физики Харьковского университета, а в 1887 году получает звание магистра физики и уезжает на стажировку в Париж. Он становится популярен в зарубежных научных кругах. Уже являясь профессором Харьковского университета, Николай Дмитриевич избирался членом французского физического общества и членом Тулузской академии наук, русского физико-химического общества и аналогичных обществ Франции, Австрии и Германии. Его доклады на научных съездах, симпозиумах и конференциях в Санкт-Петербурге, Москве, Киеве, Льеже неизменно вызывали большой интерес.
К сожалению, документов сохранилось мало и архивные данные о Пильчикове весьма скудны, однако с уверенностью можно утверждать: в конце XIX века — не позднее середины 90-х годов — он начал активно сотрудничать с Военным министерством Российской империи, выполняя секретные работы по оборонной тематике и разработке новых образцов специальной военной техники, не имевшей аналогов в мире. В этом нет ничего необычного — с военными активно сотрудничали многие видные русские учёные, стремившиеся укрепить обороноспособность России. В частности, выполнял секретные работы для Военного ведомства Дмитрий Иванович Менделеев, ему приходилось выступать и в роли профессионального разведчика. Естественно, в научно-технической области.
В Центральном государственном военно-историческом архиве сохранились некоторые документы и переписка профессора Пильчикова с военным министром Российской империи относительно работ по беспроводной электрической передаче энергии. Нет сомнений, что Пильчиков давно обратил на себя внимание зарубежных спецслужб, в первую очередь Австро-Венгрии и Германии, активно наращивавших военную мощь. Не отказалась бы поживиться результатами новейших научных разработок, имеющих большое оборонное значение, и британская разведка, а вместе с ней и остававшаяся «себе на уме» французская «Сюртэ женераль». Французы всегда беззастенчиво искали корысти в союзе с Россией, навязывая ей невыгодные промышленные контракты, а впоследствии требуя русских солдат для защиты собственной страны, когда германцы громили французские войска на фронтах Первой мировой.
Профессор Пильчиков проводил множество опытов и сделал ряд теоретических разработок в закрытой области, он первым в мире выдвинул идею создания способного настроиться на определённую волну прибора, надёжно защищённого от атмосферных и других помех. Вкупе с работами Попова, Маркони, Тесла и других учёных это открывало широкие перспективы. Архивные данные свидетельствуют, что профессор не только теоретизировал и писал письма министрам — он создал действующие модели различных приборов и успешно испытал их.
Весной 1898 года, используя изобретённые им приборы, профессор Пильчиков продемонстрировал, как на значительном расстоянии можно взорвать мину в искусственном бассейне, где затонула модель боевого корабля. При помощи изобретённых им приборов профессор на значительном расстоянии от объекта производил выстрелы из небольшой пушки, приводил в движение железнодорожный семафор и зажигал огни маяка. Военное ведомство выделило пять тысяч рублей на опыты и предоставило учёному небольшое судно для испытаний. В 1903–1904 годах профессор Пильчиков активно экспериментировал и даже получил личную благодарность командующего Тихоокеанским флотом — это произошло в разгар Русско-японской войны. За что командующий поблагодарил профессора, осталось тайной.
Успешная научно-практическая деятельность и секретные работы на русское Военное министерство продолжались до весны 1908 года. Из архивных документов и материалов полицейского расследования известно, что 3 мая 1908 года некий неустановленный мужчина позвонил известному врачу И. Я. Платонову, который являлся хозяином дорогого частного лечебного заведения.
— Найдётся ли в вашей клинике отдельная удобная палата для известного учёного профессора Пильчикова?
— Мы всё устроим лучшим образом, — заверил Платонов. — У нас профессор найдёт прекрасный санаторный режим. Когда он намерен начать лечение?
— Завтра, — и неизвестный мужчина повесил трубку.
Странно, но доктор Платонов не поинтересовался и не узнал, кто с ним говорил. Возможно, звонил сам профессор? Не исключено, что «телефонировал», как тогда говорили, кто-то другой, но кто именно? Кто проявил удивительную заинтересованность в судьбе и здоровье известного учёного, активно занимавшегося военными проблемами?
4 мая в больницу господина Платонова приехал профессор Пильчиков: лысоватый, в пенсне, с ухоженной бородкой и усами, в строгом костюме. Ошибки быть не могло: его хорошо знали в Харькове. В руках Николай Дмитриевич держал небольшой чемодан. Что в нём находилось, он никому не показывал.