Отец Иван Иванович и мать Елизавета Ивановна были очень религиозными людьми. В воспитании маленького Николая особенную роль имела няня Екатерина Михайловна и крепостная служанка Прасковья Кирилловна.

В 6 лет Николай Пирогов самостоятельно научился читать, а грамоту усвоил, рассматривая карикатуры на французов, издававшиеся после войны с Наполеоном (1815-1817) в виде карточек, сложенных в алфавитном порядке.

До 11-ти лет обучение мальчика производилось дома. Первыми учителями были студенты Московского университета. Они обучили его грамоте, арифметическим действиям, дали начальные знания по латинскому и французскому языкам. Домашнее воспитание осуществлялось в зависимости от его личных интересов, о чем сам Николай Пирогов не единожды жалел.  

В 1822 году, когда мальчику исполнилось 12 лет, его отдали в частный пансион В.С. Кряжева, где обучали катехизису, литургике, святой истории, русской грамматике, риторике, немецкому и французскому языкам, арифметике, алгебре, геометрии, всемирной и русской истории, географии, рисованию, танцам.

В 14 лет мальчика забрали из пансиона из-за материальных трудностей отца. В дальнейшем только благодаря другу семьи врачу, профессору Е.А. Мухину  в 14 лет Николая зачисляют в Московский университет. За некоторое вознаграждение они уговорили священника прибавить к возрасту еще два года, ведь по уставу зачисление студентов на обучение производится только в 16 лет. Николай Пирогов блестяще выдержал вступительные экзамены и стал студентом-медиком. 

В этот период кроме медицины молодой человек проявлял интерес к науке и ее преподаванию в восточноевропейских университетах, к историческим и историко-литературным знаниям.

1 мая 1825 г. умер отец и семью выселили из семейного имения. Мать и сестры содержали семью, выполняя мелкие работы. Материально им помогал троюродный дядя А.Ф. Назарьев. 

Не достигнув 18-ти лет, в 1828 г. Николай Пирогов окончил медицинский факультет и его вместе с некоторыми другими студентами на 2 года направили в Дерптский (ныне Тартуский) университет для подготовки к профессуре. 

Из-за июльской революции 1830 г. во Франции, перекинувшейся и на другие государства, и польского восстания молодой ученый задержался там на 5 лет (до 1833 г.).

Во время пребывания в Дерптском университете (1828-1833 гг) Николай Иванович полностью посвятил себя овладению избранной специальностью. Здесь он работает в хирургической клинике. После усвоения анатомии, как основной дисциплины в хирургии, он приступил к изучению физиологии. 

В 1832 г. успешно сдал экзамен на звание доктора медицины и защитил диссертацию на латыни. Ее перевели на немецкий язык и опубликовали в одном из хирургических журналов. В 26 лет Николай Пирогов становится профессором хирургии. 

В 1833 г. Николая Ивановича отправили в Германию. В Берлинском и Геттингенском университетах он углублял свои знания, приобретая необходимые навыки. Через два года он возвращается на родину с надеждой на руководство кафедрой в Московском университете. Однако, эту должность предложили другому ученому, что стало причиной остаться в Дерптском университете. Профессор И.Ф. Мойер предоставил ему возможность широкой хирургической практики в своей клинике.

Со временем благодаря рекомендации И.Ф. Мойера Николай Иванович был избран экстраординарным (1836 г.), а затем ординарным профессором (1837 г.) на кафедру хирургии медицинского факультета. 

С 1836 г. он читал лекции по хирургической анатомии на немецком языке, а через год на нем же опубликовал "Анналы (летописи) хирургической клиники" - собрание клинических лекций.

До 1841 г. Николай Иванович руководил кафедрой в Дерптском университете, а с 1841 по 1856 г. он занял должность профессора госпитальной хирургической клиники, патологической и хирургической анатомии Петербургской медико-хирургической академии, которая находилась в военном ведомстве. Этот период жизни ученого ознаменовался изданием ряда научных трудов, что стало бесценным вложением в развитие мировой медицины.

В 1842 г. Николай Пирогов женился на Екатерине Дмитриевне Березиной. Она была, по выражению Пирогова, "настоящим ангелом", подарила мужу двух сыновей – Николая и Владимира. В 1846 г. в возрасте 24 лет после рождения второго ребенка женщина умерла из-за осложнений после родов. Пирогов очень тяжело пережил потерю.  Эта трагедия стала причиной переезда ученого в Италию. После смерти жены Николай Иванович обратился к Евангелию, которого раньше не читал. Он задумался над религиозно-философскими темами, моральным долгом родителей относительно будущего своих детей.

После возвращения Николай Иванович продолжил свои занятия в клинике и Медико-хирургической академии. 

В январе 1847 г. его избирают членом-корреспондентом Академии наук биологического отделения, а 20 апреля того же года он получил звание академика Медико-хирургической академии. 

В 1847 году Николай Пирогов стал первым в мире хирургом, который применил эфирный наркоз при операции. Перед тем как давать его пациентам, он испытал его действие на себе, не желая рисковать чужой жизнью. Пирогов впервые испытал действие наркоза (эфира) при операциях раненых в военно-полевых условиях на Кавказе, изучал патанатомию холеры.

В 1850 г. Николай Пирогов снова женился. Второй женой ему стала баронесса Александра фон Бистром, большая поклонница его публикаций. Она очень любила мужа, его дети звали ее мамой. Своих детей у нее не было. 

Александра всегда была рядом с мужем: ассистировала при операциях, в жизни была практичной и бережливой. 

В конце 40-х годов XIX в. Н.И. Пирогов провел большую часть жизни на Кавказе, где впервые во время операции применил анестезирование эфиром. 

В период Крымской войны (1854-1855 гг.), во время осады Севастополя, он участвовал в организации военно-полевой медицинской службы, впервые в истории применил гипсовую повязку при лечении травматических переломов, впервые привлек женщин к уходу за ранеными и стал создателем и руководителем Крестовоздвиженской общины сестер попечения о раненых и больных - институт сестер милосердия.

В этот период жизни ученый сделал тысячи операций. Лично осматривая пострадавших, Пирогов давал указания куда и когда госпитализировать того или иного солдата или офицера, что значительно уменьшало смертность и послеоперационные осложнения.

Именно в этот период Пирогов спас здоровье, а может и жизнь, 21-летнему Дмитрию Ивановичу Менделееву, который после окончания Главного педагогического института был назначен старшим учителем естественных наук в Симферопольской гимназии. По дороге к месту будущей работы, по рекомендации врача, который в то время наблюдал за здоровьем серьезно больного Менделеева, будущий ученый обратился за консультацией к знаменитому хирургу. Пирогов сразу опроверг поставленный Менделееву диагноз "чахотка" и быстро вернул его к полноценной жизни.

В качестве полевого хирурга он побывал на четырех войнах, где спас много жизней. Причем на фронт он отправлялся всегда добровольно, чтобы лично испытать на раненых новые методы лечения ран, разработанные им. 

В 1862 году Н.И. Пирогов сохранил раненую ногу народному герою Италии Джузеппе Гарибальди. Все знаменитые хирурги того времени единогласно предлагали ампутировать ногу, в кости которой застряла пуля, и только один Пирогов, тщательно осмотрев рану, категорически отверг это предложение. И произошло чудо: на двадцать пятый день лежания пациента пуля приблизилась к поверхности раны и была легко извлечена, а через несколько дней раненый уже мог ходить.

На основе собственного опыта Николай Иванович написал "Начала общей военно-полевой хирургии" (1865-1866 гг.). Теоретические труды и практическая деятельность принесли ему славу "отца военно-полевой хирургии". 

В 1856 г. он вернулся в Петербург, в Медико-хирургическую академию. 

28 июля 1856 г. в связи с ухудшением здоровья и домашними обстоятельствами вышел в отставку как практик-хирург, но продолжал работать над последним выпуском книги "Иллюстрированная топографическая анатомия распилов, проведенных в трех направлениях через замороженное человеческое тело" и начал работу над другой – "Основы общей военно-полевой хирургии". В этом же году вышел в свет его знаменитый анатомический атлас.

Ученый большое внимание уделял анализу педагогических проблем воспитания и обучения. В это время была написана его первая педагогическая статья "Вопрос жизни". Однако ученый решил ее не публиковать, потому что знал, что цензура не пропустит. И только через шесть лет в 1856 г. статья была напечатана в журнале "Морской сборник". В работе он раскрыл свои педагогические идеи, взгляды на задачи образования в воспитании молодого поколения, определил пути и средства его обучения и воспитания.

Ученый не оставил после себя большого фундаментального труда по педагогике, но в его статьях, циркулярах и отчетах есть много важных, оригинальных мыслей. Пирогов в решении вопросов воспитания и обучения стремился руководствоваться психологией детского возраста. В ряде педагогических статей он выдвинул требование реформы школы, а также опубликовал проект реформы, который оказался более демократичным, чем проекты правительства. В нём поставил новую цель обучения и воспитания, новые задачи школы, заложил основы новой педагогической системы.

Николай Иванович выступал за общедоступную школу для всех слоев населения и национальностей. В своем проекте он отмечал, что настоящее образование должно основываться на единстве гуманитарного и реального образования.

В 1856 г. указом Александра ІІ Николай Пирогов был назначен попечителем Одесского учебного округа. Вместе с семьей он переехал из Петербурга в Одессу и приступил к организации учебного дела. Своим огромным опытом Пирогов щедро делился со студентами.

В первых же своих распоряжениях Николай Иванович отмечал устарелость программ и учебных пособий, их недостаточное количество, потребность в подготовленных учительских кадрах. 20 января 1857 г. он обратился к министру народного образования А.С. Норову с "Докладной запиской о состоянии образования в Новороссийском крае и о вопиющей необходимости преобразования учебных заведений". В ней были изложены основные причины неудовлетворительной организации образования в округе. В течение двухлетнего управления округом (1856-1858) попечитель стремился поднять значение педагогических советов гимназий, боролся за гуманное отношение к детям. Он поставил вопрос о преобразовании Ришельевского лицея в университет (1856). По его мнению, реформу университета следовало проводить силами самого учебного заведения, с согласованием требований современной науки и государства, прислушиваясь к общественному мнению.

В ряде статей: "Чего мы желаем?" (1859), "Взгляд на общий устав наших университетов" (1861), "Замечания к проекту общего устава Императорских Российских университетов" (1862), "Университетский вопрос" (1863), "Письма из Гейдельберга" (1863-1864) – Николай Иванович настаивал на необходимости широкого реформирования университета, который на самом деле не является свободной, независимой единицей, а остается вспомогательным орудием в руках церкви, правительства и государства.

14 сентября 1857 г. вышла в свет статья Н.И. Пирогова "О публичных лекциях по педагогике", где он утверждал, что "настоящий прогресс достигается одним-единственным путем – путем воспитания". 

Либеральная деятельность Николая Ивановича вызвала недовольство Александра ІІ и генерал-губернатора. Следующие три года (1858-1861) он занимал должность попечителя Киевского учебного округа. Его влияние на развитие педагогической науки и народного образования в Российской империи трудно переоценить. 

Педагогические статьи, распоряжения, изданные им за время его попечительства в Киеве, вошли в сборник "Собрание литературно-педагогических статей Н. И. Пирогова" (1858-1861), в Одессе – "Собрание литературных статей Н. И. Пирогова" (1858). 

Статьи "О предметах суждений и обсуждений педагогических советов гимназий" (1859), "Школа и жизнь" (1860) - самые значительные труды ученого по вопросам воспитания и образования после "Вопросов жизни". Также Николаю Ивановичу принадлежат труды: "О переводных экзаменах" (1859), "О цели литературных бесед в гимназиях" (1860), "Замечания к отчетам морских образовательных учреждений за 1859 г." (1860) и многие другие.

В статье "Нужно ли сечь детей и сечь в присутствии других детей?" (1858) выступал против телесных наказаний, доказывал, что их необходимо отменить. Но в 1859 г. в циркуляре "Основные первые правила о проступках и наказаниях учащихся гимназий Киевского учебного округа", отвергая "розгу" как средство наказания, все же допускал ее применение в отдельных случаях.

В "Докладной записке относительно образования евреев" (1857), поданной Министерству народного просвещения (А. С. Норову), Николай Иванович предлагал проект реформы еврейского образования, выступая за необходимость нравственно-религиозного воспитания в средней школе, сближения еврейского населения с христианским. При его содействии в Одессе выходили два еврейских журнала.

Воскресные школы в Украине создавались при непосредственном участии Н.И. Пирогова. Первая такая школа была открыта в 1859 г. при Киевском дворянском училище на Подоле после того, как профессор П.В Павлов обратился к Николаю Ивановичу с соответствующими заявлениями студентов. Без согласия генерал-губернатора Николай Иванович дал такое разрешение, чем вызвал недовольство министра просвещения. Это стало одной из причин увольнения педагога с должности попечителя Киевского учебного округа.

13 марта 1861 г. великий ученый и педагог был отправлен в отставку за вольнодумство и попытки изменить систему школьного образования и около года прожил в усадьбе Вишня Подольской губернии. 

В 1862-1866 гг. Николай Иванович был руководителем молодых русских ученых, командированных в Германию для подготовки к профессуре. Его волновали вопросы подготовки научных и преподавательских кадров не только за границей, но и в России. Он изложил свои соображения по этой проблеме в "Университетском вопросе" (1863), "Письмах из Гейдельберга" (1863-1864), в корреспонденциях Министерству народного просвещения. Но после доклада министра народного просвещения Д. А. Толстого на имя царя (17 июня 1866 г.) Н.И. Пирогов был уволен с мотивацией: "пребывание за границей не является существенно необходимым для наших профессорских кандидатов".

Вернувшись на родину, ученый снова поселился в своей усадьбе Вишня неподалеку Винницы, где посвятил свое время медицине и сельскому хозяйству. 

Он ненадолго выезжал из имения только за границу, а также по приглашению Петербургского университета для чтения лекций (к этому времени Пирогов уже был членом нескольких иностранных академий). 

Относительно надолго Пирогов лишь дважды покидал имение: первый раз в 1870 году во время французско-прусской войны, будучи приглашенным на фронт от имени Международного Красного Креста; и второй раз в 1877-1878 гг. - уже в довольно пожилом возрасте – несколько месяцев работал на фронте во время русско-турецкой войны.

С 1879 по 1881 г. в своей усадьбе под Винницей Николай Иванович  написал мемуары "Вопросы жизни. Дневник старого врача", составляющие первый том его сочинений, изданных в 1887 г. 

В своём имении Вишня ученый построил аптеку, больницу и оборудовал сад экзотических растений, которые сажал сам. Здесь врач жил по четкому распорядку: просыпался на рассвете, делал длинную пешую прогулку, чай, работа в саду, в конюшне или птичнице. Ежедневный осмотр больных, прием пациентов. 

Во время проживания в имении врач до конца своих дней зарабатывал медицинской практикой. Николай Иванович дважды в неделю с восьми утра до восьми вечера принимал бедняков бесплатно. После операции он всегда прятал руки в карманы, чтобы ему не вздумали платить. 

Для успешного общения с местным населением ученый выучил украинский язык, на котором разговаривал в своей повседневной работе. 

Николай Иванович шел к больному в любую погоду, несмотря на метель или сильный дождь. Он лечил не зависимо от статуса человека – и бедных, и богатых, и мещан, и крестьян. А на каждый Новый год у себя в усадьбе устраивал праздник для крестьянских детей, украшал большую елку с подарками. В этой усадьбе Николай Пирогов прожил до последних дней, вел научную работу и врачебную практику, именно здесь и умер от рака 23 ноября (5 декабря) 1881 года. 

Когда не стало знаменитого хирурга, его вторая жена Александра фон Бистром построила в Вишнях храм, ставший мавзолеем великому ученому. Она также открыла в Киеве хирургическую больницу и за свой счет содержала приют для выздоравливающих, организовала и финансировала приют для детей арестантов.

Младший сын Николая Пирогова Владимир стал историком античности, большую часть своей жизни провел за границей из-за необходимости лечения тяжелой болезни. В 1873 году получил степень доктора философии Берлинского университета. В 1878 году успешно защитил магистерскую диссертацию в Московском университете.

Награды и звания: 

1839 – орден Святой Анны III ст., II ст. (1848), I ст. (1860); 

1845 – орден Святого Станислава II ст., I ст. (1855); 

1851 – орден Святого Владимира III ст, II ст. (1873); 

1856 – медаль "В память Восточной (Крымской) войны 1853-1856 годов"; 

1863 – знак "За введение в действие Положений 1861 года"; 

1877 – орден Белого орла; награжден немецкой памятной медалью войны 1870-1871 годов для некомбатантов и французским Бронзовым крестом Общества помощи раненым; 

1840 – половинная Демидовская премия и золотая медаль за труд "Хирургическая анатомия артериальных стволов и фасций"; 

1844 – полная Демидовская премия и большая золотая медаль за "Полный курс прикладной анатомии человеческого тела"; 

1850 – полная Демидовская премия и большая золотая медаль за монографию "Патологическая анатомия холеры"; 

1860 – полная Демидовская премия и большая золотая медаль за атлас "Топографическая анатомия разрезов".