В 1948 г. Николай Амосов защитил кандидатскую диссертацию и уже через год выбрал тему для докторской: «Резекции легких при туберкулезе». В 1952 году диссертация была готова и получила положительный отзыв академика А.Н. Бакулева. В том же году Амосов был приглашен на работу в Киев руководителем клиники грудной хирургии Киевского научно-исследовательского института туберкулеза и грудной хирургии. Переезжать ему не хотелось. «Брянские годы, с 47-го по 52-й, самые светлые в моей жизни. Испытал хирургическое счастье, дружбу с подчиненными. Потом такого уже не было, – вспоминал Амосов и признавался: – Хирургом меня сделала война. Но настоящим – Брянск». Однако на переезде настояла жена. Она к тому времени окончила пединститут и решила стать… хирургом, для чего и поступила в Киевский мединститут. С этого времени жизнь исконно русского человека была связана с Украиной, и он вошел в первую десятку личностей, определявших ее облик в XX в. Николай Михайлович в марте 1953 г. защитил докторскую диссертацию и был избран заведующим кафедрой в Киевском медицинском институте.
Конечно, Амосов не всем пришелся по душе. О его неуживчивом характере, бескомпромиссности и резкости до сих пор помнят те, кто с ним сотрудничал. Но он был уникален во всем: в работе, в общении, в выборе увлечений. Этот человек еще при жизни стал легендой – талантище, яркая личность, поразительный жизнелюб и трудоголик. Сам Николай Михайлович считал себя человеком не эмоциональным, «сухарем». Но когда в 1956 г. родилась дочь Катя, он, который «за двадцать лет семейного стажа потребности в детях не ощущал, увидел это маленькое, красненькое, хлипкое существо, так и понял – кончилась свобода, уже не сбегу». Дочь он воспитывал по собственной методике: дисциплина, нагрузки, три последних школьных года – экстерном в один. Екатерина Николаевна стала доктором медицинских наук, членом-корреспондентом АМН Украины.
В 1955 г. Амосов организовал и возглавил клинику сердечной хирургии, преобразованную в 1983 г. в Институт сердечно-сосудистой хирургии АМН Украины. Осенью 1957 г. он ездил на конгресс хирургов в Мексику, где впервые увидел операцию на сердце с применением аппаратов искусственного кровообращения (АИК) и очень заинтересовался этим. Купить аппарат было невозможно, но для инженера Амосова это не было проблемой. Он разработал собственный проект, но необходимых трубок и, самое главное, гепарина против свертываемости крови в Союзе было не сыскать. И тогда Николай Михайлович на жалкие 15 долларов, оставшиеся от командировочных, купил минимум необходимого. Аппарат был выпущен на одном из предприятий Киева. А в 1958 г. в Институте кибернетики создали специальный отдел, где Амосов объединил вокруг себя коллектив энтузиастов. В его лабораториях и отрабатывались схемы операций с АИК, потом прибавились физиологические исследования сердца с участием инженеров и математиков. В 1959 г. была удачно проведена операция мальчику с тяжелым врожденным пороком сердца – так называемой «Тетрадой Фалло». А в 1960 г. Амосов возглавил отдел биоэнергетики Института кибернетики Академии наук Украины, в котором занимался развитием идей, зародившихся у него еще в Череповце: регулирующие системы организма – от химии крови, через эндокринную и нервную системы до коры мозга; механизмы разума и искусственный интеллект, психология и модели личности, социология и оптимальные модели общества, глобальные проблемы человечества. Работа отдела продолжалась вплоть до 90-х гг., когда коллектив распался и в отделе осталась только группа по искусственному интеллекту.
Николай Амосов был удивительно разносторонним человеком. Основоположник советской кардиохирургии стал учителем практически всех ведущих украинских и российских кардиохирургов. Когда в 1962 г. на первое место вышла проблема протезов сердечных клапанов, Амосов разработал свою модель – из полусферы, дополненной специальной обшивкой корпуса, препятствовавшей образованию тромбов. И именно с этого времени, как считает Николай Михайлович, «началось восхождение моей карьеры сразу по нескольким линиям». Он стал неизменным участником всех международных съездов и конференций кардиохирургов. Его избрали членом-корреспондентом АМН, присудили Ленинскую премию. 19 лет он честно исполнял обязанности депутата Верховного Совета СССР. Особенно тягостными были приемы граждан: «Горя наслушался свыше меры, в дополнение к хирургическим несчастьям». И если по отношению к себе Амосов свято следовал правилу М. Булгакова: «Никогда ничего не проси», то для простых людей он добивался многого и вне хирургии.