Выезжая на фронты, Н. Н. Бурденко проверял постановку хирургической работы и применение новых методов лечения.
Когда началась Великая Отечественная война, Николаю Ниловичу было уже 65 лет. В 1941 г. при переправе через Неву он попал под бомбардировку и был контужен. Сказались годы, напряженная работа, прежние ранения и контузии. Одно за другим он перенес два кровоизлияния в мозг. Но богатырский организм Бурденко не сдавался. Превозмогая болезнь, Николай Нилович трудился не покладая рук. В 1944 г. по плану, разработанному Бурденко, Советское правительство создало Академию медицинских наук СССР. Николай Нилович был избран первым президентом молодой академии.
Николай Нилович Бурденко был видным общественным деятелем и крупным ученым, автором более 300 научных работ по вопросам лечения гнойных ран, анаэробной инфекции, переливания крови, борьбы с шоком. Его работы в области нейрохирургии широко использовались в Великой Отечественной войне при организации специализированного лечения раненых в череп.
Правительство высоко оценило заслуги Н. Н. Бурденко, присвоив ему почетные звания Героя Социалистического Труда, заслуженного деятеля науки и наградив орденами: тремя Ленина, двумя Красного Знамени, Красной Звезды, Отечественной войны I степени и четырьмя медалями.
Летом 1946 г. у него произошло третье кровоизлияние в мозг. Казалось бы, это конец. Но, находясь при смерти, он пишет доклад об огнестрельных ранениях. Один из сотрудников Бурденко зачитал этот доклад делегатам XXV Всесоюзного съезда хирургов. С глубоким волнением слушали его делегаты съезда. "Я преклоняюсь перед волей этого человека..." - сказал один из ведущих советских хирургов. То была "лебединая песнь" Бурденко. Через десять дней его не стало.
Академик Бурденко оставил своей Родине большое наследство. Он написал более 400 научных трудов, которые по сей день помогают советским врачам лечить многие тяжелые заболевания и возвращать к жизни и труду больных людей.
Имя Николая Ниловича Бурденко было присвоено Институту нейрохирургии АМН СССР, Главному военному госпиталю Вооружённых Сил СССР и другим медицинским и военным учреждениям.
Академия медицинских наук учредила премия имени Н.Н. Бурденко, которая присуждается раз в четыре года за лучшую работу по нейрохирургии или военно-полевой хирургии.