Ему принадлежит свыше 300 научных работ, охватывающих широкий круг медицинских проблем. В большинстве своем это глубокие исследования в области клинической и теоретической медицины с осуществлением сложных экспериментов в области анатомии, физиологии, биохимии, гистологии, патологической анатомии и патологической физиологии. Научные работы Бурденко и выпестованной им школы, то есть своеобразного направления в теоретических, экспериментальных и клинических исследованиях, как правило, были оригинальны и высокорезультативны. Порожденные назревшими вопросами практики, они нередко определяли нужный ответ и вооружали практику эффективными хирургическими средствами исцеления от различных тяжелых недугов.
Бурденко не только выдвигал новые идеи в ряде сфер медицины, способствующие дальнейшему ее прогрессу, он умел настойчиво внедрять в практику свои новаторские замыслы, добиваясь, чтобы они реально работали для нашего народа и как можно лучше. Становление в СССР нейрохирургии (хирургии нервной системы), составляющей ныне одну из развитых сфер советского здравоохранения, неразрывно связано с именем Н. Н. Бурденко, справедливо присвоенного ее центральному очагу — Научно-исследовательскому нейрохирургическому институту Академии медицинских наук СССР в Москве. Ему и его школе современная медицина обязана разработкой методов диагностики опухолей головного мозга, их классификации и хирургического лечения. Ценнейшими вкладами Бурденко и его школы в теорию и практику нейрохирургии явились научно-исследовательские работы в области онкологии центральной и вегетативной нервной системы, нарушений мозгового кровообращения, в том числе по оперативному лечению различных тяжелых заболеваний нервной системы.
Такая насыщенная и плодотворная творческая деятельность чисто медицинского свойства, казалось бы, вполне могла сама по себе составить честь серьезному ученому, достойно заполнить всю его жизнь. Для Бурденко, однако, то была лишь одна из граней его кипучей натуры, одно из самых ярких выражений его незаурядной личности. Трудно, конечно, измерить, чему он в своем непрерывном труде отдавал больше сил, чему меньше, как распределял бесценное время между разными задачами и обязанностями, которые брал на себя. Но если брать не частности, а общее, главное направление деятельности Н. Н. Бурденко, то станет очевидным, что на первом плане у него всегда были насущные интересы обороны Родины в их медицинском аспекте, иными словами — забота о полноценном медицинском обеспечении боевых действий наших войск в случае войны, о максимальной помощи нашим людям, которые могли бы пострадать от вражеского оружия. Чем это было обусловлено — прирожденным гуманизмом, дополненным классическим врачебным человеколюбием? Поначалу, видимо, только этим.
Еще студентом он участвовал в русско-японской войне 1904—1905 годов в качестве помощника врача в составе передового санитарного отряда Общества Красного Креста. На Дальнем Востоке перед ним впервые раскрылись ужасы войны того времени, муки и горе раненых русских солдат, беспомощность и хаотичность обслуживания действующих войск царской армии. Пережитое так глубоко врезалось в его сердце, что с началом первой мировой войны он, тогда уже молодой профессор, признанный хирург-ученый, добровольно отправился на фронт. Как хирург-консультант, он работал во многих сражавшихся частях, пока не был контужен.
Однако он не мог позабыть о безвинных жертвах войны. Снова и снова мысли его возвращались к операционным столам на фронте, где благодарным оружием хирурга, скальпелем, он самоотверженно бился против беснующейся смерти. Тогда-то Бурденко стал неутомимо искать и часто находил новые, более гуманные и действенные методы лечения всевозможных огнестрельных ранений и их последствий. Попутно с его солидными трудами на традиционные для ученого медика темы, а то и оттесняя их, появлялись на протяжении десятилетий многие его работы, касающиеся различных сторон военно-полевой хирургии и теоретической ее основы и хирургической тактики при обработке ран и переломов. В своих военно-медицинских работах он критически осмысливал обширную отечественную и зарубежную литературу по вопросам лечения раненых, обобщал накопленный опыт и новейшие выводы науки и давал четкие рекомендации методов лечения.
Той же цели служили и многие его экспериментальные и клинические исследования, продолжавшиеся непрерывно. Ряд лет Бурденко и его школа выясняли причины и механизмы развития шоковых состояний. Результаты этих сложных исследований, проливших свет на неведомое, помогли впоследствии исцелению бойцов и командиров Красной Армии от тяжелых осложнений ран, полученных на фронте.