В 1909 г. после защиты диссертации на тему «Материалы к вопросу о последствиях перевязки venae portae» в 33 года получил звание доктора медицины. За этим стояла огромная работа и напряжение всех его сил, работа над книгами и трупами, подопытными животными, овладение методикой физиологических экспериментов и гистологической техникой. В процессе работы И.П. Павлов предложил ему стать внештатным сотрудником.
Для стажировки за границей медицинский факультет Юрьевского университета выделил Н.Н. Бурденко небольшую сумму денег для усвоения методов научных исследований зарубежных коллег и приобретения новых знаний. Н.Н. Бурденко по примеру Н.И. Пирогова упорно шёл к своей цели, совершенствуя себя как хирурга, осваивая неизвестное и полезное в работе. В одном из своих писем Н.И. Пирогов писал сестре милосердия Е.М. Бакуниной, возглавившей Крестовоздвиженскую общину во время Крымской войны: «Полноте! Если б я вздумал вздыхать обо всем, что у меня делается, я весь превратился бы в один вздох. Идеал мы никогда не должны выпускать из мысли и из сердца; он должен быть нам постоянным путеводителем… Думайте только о будущем»[39].
Такую же жизненную позицию занимал Н.Н. Бурденко. Поэтому он решил для своей заграничной поездки сам заработать деньги. Работа на Сибирской железной дороге хирургом-консультантом позволила осуществить желанную цель. Он побывал в Швейцарии, в лаборатории знаменитого невролога, анатома и физиолога К.Н. Монакова. Съездил в немецкую клинику А. Бира – одного из основоположников немецкой хирургии; О. Гильдебранту – заведующему Берлинской клиникой хирургии, был у профессора Биккля. В Швейцарии, Н. Н. Бурденко, работая повторно в институте у К.Н. Монакова, готовился к занятиям нейрохирургией. Они проводили десятки опытов с собаками. Это был его «профессорский университет». В 1910 г. он возвратился в Россию и был утверждён экстраординарным профессором на кафедре оперативной хирургии Юрьевского университета. С 1911 г. и до Первой мировой войны Н.Н. Бурденко работал также в Сакской земской грязелечебнице, уделял большое внимание постановке врачебно-санитарного дела в Таврическом земстве.
Практические навыки и новые знания в области военно-полевой хирургии Н.Н. Бурденко получил, участвуя в Русско-японской войне (1904–1905). Когда началась Первая мировая война, в 1914 г. он добровольно ушёл на фронт в качестве хирурга. Был назначен помощником заведующего частью Красного Креста при армиях Северо-Западного, позже, в 1916 г. – хирургом-консультантом при Главноуполномоченном Красного Креста Северного фронта. Военно-санитарная организация в это время была ниже всякой критики. Об этом писал в своих работах Н.Н. Бурденко: «Общая характеристика организации первой помощи на фронте за первый год войны 1914–1915 гг.»; «Об общей характеристике первой помощи на фронте»; «Характеристика хирургической работы в войсковом районе» и др.