Атлас распилов, выполненный Пироговым, является сегодня основой для томографии - метода диагностики опухолей в органах в начале развития.
В области патологической анатомии Пирогов был также одним из крупнейших исследователей. Возглавив руководство госпитальной хирургической клиникой, работа в которой требовала много времени и труда, Пирогов принял на себя чтение курса патологической анатомии, причем в период своей профессуры вскрыл (по словам И. В. Бертенсона) 11600 трупов, составив при этом подробный протокол каждого вскрытия.
За классическое исследование «Патологическая анатомия азиатской холеры, с атласом» (С.-Петербург, 1849), основанное на 400 (с лишним) вскрытиях, Пирогов получил полную демидовскую премию. В отзыве академика К. Бера на этот труд дана такая характеристика: «...В особенности по причине... строго-науковой методы и прямой любви к истине должно назвать это сочинение образцовым, потому что оно принадлежит такой именно области, в которой довольно редко наблюдается ход науки».
Насколько сильное впечатление оставляли у присутствовавших вскрытия, производившиеся Пироговым, видно из воспоминаний известного казанского фармаколога И. М. Догеля, решившего стать медиком после посещения такого вскрытия. Догель пишет: «Вся эта обстановка и в особенности строго серьезное отношение к делу или, лучше сказать, сильное увлечение самого профессора своим предметом так подействовало на меня, что я окончательно решил посвятить себя изучению медицинских наук».
Вопросы, касающиеся развития воспалительного процесса, Пирогов изучал настолько глубоко, что был вооружен достаточно сильными аргументами, направленными против клеточной патологии Вирхова. Он подверг это учение основательной критике, подчеркивая ведущую роль в развитии воспаления нервной системы.
Обширная экспериментально-хирургическая деятельность Пирогова началась в Дерпте почти тотчас же по окончании Московского университета. Темой его первого солидного экспериментального исследования был вопрос о перевязке брюшной аорты. Изучению техники и последствий этой операции Пирогов посвятил свою докторскую диссертацию, напечатанную на латинском языке и защищенную в 1832 году. Ему показались неубедительными доводы в пользу этой операции, которые выставил известный английский хирург и анатом Э. Купер, впервые сделавший ее у человека в 1817 году. Купер на основании нескольких опытов, произведенных на кошках и небольших собаках, выживших после перевязки брюшной аорты, счел возможным наложить лигатуру на брюшную аорту у больного, страдавшего аневризмой подвздошной артерии. Больной Купера погиб, как и другой больной хирурга Джемса, оперированный в 1829 году.
Исследование Пирогова, носящее название «Является ли перевязка брюшной аорты при аневризмах паховой области легко выполнимым и безопасным вмешательством?», имело целью ответить на вопрос, заключенный в этом названии. Пирогов изучал последствия перевязки брюшной аорты на многочисленных животных разных видов, разного возраста и разной величины, причем количество опытов, имевших целью осветить все стороны вопроса, включая и последствия постепенного сужения брюшной аорты, превысило 60. Пирогов пришел к такому выводу, что, несмотря на сохраняющееся при одномоментной перевязке брюшной аорты у животных кровообращение в задних конечностях, после этой операции возникают столь тяжелые приливы крови к легким и сердцу, что животные, как правило, погибают вследствие тяжелых нарушений функции этих органов.
Пирогов совершенно точно определил то основное, опасное для жизни осложнение, которое развивается после перевязки брюшной аорты. Он интересовался прежде всего не местными нарушениями кровообращения, наступающими после этой операции, а влиянием перевязки брюшной аорты на весь организм. Пирогов классически описал клиническую и патологическую картину расстройств, связанных с перевязкой брюшной аорты. В этом его огромная заслуга и бесспорный приоритет.
Большое место в диссертации Пирогова отведено изучению вопроса о роли постепенного сжатия просвета брюшной аорты. И здесь Пирогов впервые многочисленными опытами на животных установил, что такого рода вмешательство имеет значительные преимущества по сравнению с одномоментной (внезапной) перевязкой аорты: подопытные животные гораздо легче переносят такое воздействие. Исходя из убеждения недопустимости оставления в глубоких тканях всевозможных инструментов, Пирогов разработал оригинальный метод, посредством которого он постепенно суживал у животных просвет брюшной аорты. Суть его заключается в том, что концы лигатуры, наложенной на аорту, он выводил наружу и привязывал к турникету Буяльского, вращая подвижную часть которого можно закручивать лигатуру и тем самым суживать просвет сосуда. Постепенно закручивая лигатуру в течение нескольких дней, Пирогов добивался полной или почти полной непроходимости брюшной аорты, причем в этих случаях часто не развивались тяжелые осложнения со стороны легких и сердца, которые, как правило, приводили к гибели животных (телят, овец) после одномоментной перевязки брюшной аорты. При постепенном суживании брюшной аорты удалось предупредить и развитие у животных паралича задних конечностей.