Николаю Ивановичу было не по себе в роли помещика, проводящего крестьянскую реформу. Трудно было совместить теорию с практикой. Он снова забыл свои уверения, что не дастся больше в обман, и согласился поддержать либеральные начинания правительства в деле просвещения. Имение сдано было арендатору, которому удобнее справляться с непомерными притязаниями крестьян: он не связан рассуждениями о долге перед народом. В мае 1862 года Пирогов был уже в Германии со своими кандидатами. Министр Головнин привлек симпатии Николая Ивановича тем, что дал ему возможность свободно высказываться по всем вопросам воспитания и образования, предоставив ему печатать свои произведения без цензуры в журнале министерства и отдельными книгами. Руководство Пирогова занятиями профессорских кандидатов, в Германии дало русскому просвещению многих хороших профессоров.
Революционное движение в России разрасталось. Обманутые крестьяне волновались. Учащаяся молодежь вела явную и скрытую пропаганду против существующего строя. Император видел в этом оправдание для поворота на путь реакции. Либеральные реформы объявлялись одна за другой, на деле правительство вело твердую политику торможения. Пирогов сидел в Гейдельберге, руководил молодыми русскими учеными, писал свое классическое сочинение о военно-полевой хирургии, исправно получал от арендатора часть выколачиваемых из крестьян денег за обработку помещичьей земли, презрительно отзывался о виновниках всякого рода правительственных безобразий на родине и негодовал по поводу революционно-пропагандистской деятельности Герцена, Бакунина и других агитаторов.
Проживая в Гейдельберге, Пирогов ездил в октябре 1862 года, по просьбе местных русских студентов, в Специю — к раненому Гарибальди, у которого лечившие его светила тогдашней хирургии не могли извлечь засевшую в ноге пулю. Николай Иванович помог революционному генералу. Популярность его стала принимать, в глазах придворных реакционеров, опасный характер. Но пока у власти был Головнин, он не позволял расправляться с ненавистным Александру II профессором.
После выстрела студента Д. В. Каракозова в Александра 4 апреля 1866 года Россию отдали в руки виленского диктатора М. Н. Муравьева-вешателя. Он прогнал Головнина и посадил министром просвещения графа Д. А. Толстого, который был одновременно назначен обер-прокурором синода — руководителем церковного ведомства. Этим была разрешена задача религиозно-нравственного воспитания народа в духе христианского благочестия. Пирогов был при таких обстоятельствах лишним, а институт профессорских стипендиатов вредным. Граф Толстой расправился с обоими без проволочек: институт раскассировал, Пирогова уволил в отставку, да еще без обещанной Головниным пенсии.
Во время своей заграничной командировки в 1862–1866 годах Николай Иванович обработал весь собранный им на полях сражений материал в двухтомное исследование, имеющее значение и для настоящего времени. Выпущенные на немецком языке «Основы общей военно-полевой хирургии» (Лейпциг, 1863–1864) были приняты военно-медицинским миром, как руководство к действию. В них Пирогов изложил свой взгляд на госпитали, медицинскую администрацию, перевязочные пункты и лечение ран. «Предложенная мною система рассеяния раненых и энергический протест против зла, наносимого раненым госпиталями, произвели глубокое впечатление, — сообщает Николай Иванович в автобиографическом письме И. В. Бертенсону. — В этой книге уже излагался идеал Общества красного креста прежде, чем оно осуществилось на деле… Противогнилостное лечение ран, тогда еще мало занимавшее умы врачей, я описал так, как его употреблял с различным успехом в течение 10 лет в госпитальной практике».
После издания немецких «Основ» русское военно-медицинское ведомство предложило Николаю Ивановичу издать его руководство на русском языке. В течение 1864–1865 годов он переработал свою книгу и выпустил ее в 1865–1866 годах в 2-х частях под названием «Начала общей военно-полевой хирургии, взятые из наблюдений военно-госпитальной практики и воспоминаний о Крымской войне и о Кавказской экспедиции». Здесь по заявлению военно-медицинских деятелей нашего времени, дан ряд классических положений, которые передавались из поколения в поколение хирургов как аксиомы хирургии войны. Идеями Пирогова в области военно-полевой хирургии с огромной пользой для своих армий пользовались в XX столетии Япония, Германия и другие страны.