Результаты деятельности Н. И. Пирогова на посту попечителя сначала Одесского, а после отставки с этой должности попечителя Киевского учебного округа отмечался мощный личный вклад Николая Ивановича, как он сам себя называл «попечителя-миссионера», в развитие просвещения и образования на территории этих учебных округов. По мнению А. А. Мусина-Пушкина: «это был редкий Попечитель вдумчивый философ, всегда проводивший серьезную педагогическую реформу, заранее всесторонне продуманную, являющуюся результатом не случайной мысли, а целой педагогической системы, неукоснительно им проводимой».
Когда в 1861 году Порогов был уволен с должности попечителя, прогрессивная общественность Киева устроила ему торжественные проводы. Правительство дважды обращалось к Николаю Ивановичу с предложениями послужить на педагогическом поприще. Сначала новый министр народного просвещения А. В. Головнин предложил Н. И. Пирогову провести своеобразную ревизию постановки учебного процесса на медицинских факультетах российских университетов, с целью совершенствования этой деятельности. Но этот проект так и не был реализован. А вот другое предложение оказалось принятым. И оно знаменовало начало «университетского» периода развития философско-педагогической системы Н. И. Пирогова, охватывающего время с 1862 по 1866 годы.
Этот период был посвящен распространению идей и взглядов, наработанных мыслителем в предыдущий период преимущественно на сферу высшего образования. В марте 1862 года он был направлен в Германию руководителем группы молодых ученых «для исполнения разных трудов по учебной и педагогической части». Правительство сделало вид, что оно намерено использовать опыт Пирогова как педагога, и назначило его руководителем молодых людей, подготовлявшихся за границей к профессуре.
Главное поручение министра народного просвещения состояло «в руководстве и направлении молодых людей, готовящихся к профессорской деятельности». Своей резиденцией Пирогов выбрал Гейдельберг. И здесь Н. И. Пирогов проявил свои способности и столь присущую ему ответственность. Он посетил свыше 20 европейских университетов, ознакомился с построением в них образовательного процесса. Умело направлял научную работу молодых ученых и поддерживал их стремления и начинания. Он часто повторял своим коллегам, что без лекций нет профессора, лекции препятствуют научному застою, они будоражат мысль, увлекают ее и обогащают. Н. И. Пирогов учил молодых профессоров постоянной активности в науке: ученый всегда должен стремиться к новому, к открытиям, к кипучей деятельности. Он говорил, что учиться надо по призванию, но даже окончив университет, необходимо постоянно совершенствовать свои знания. Его опыт и мудрость помогали им за границей, как никогда. Многие беседы Николая Ивановича, дополненные размышлениями о педагогической деятельности в германских и отечественных университетах, составили своеобразный цикл «Писем из Гейдельберга», проникнутых гуманизмом и свободомыслием, а также наблюдательностью по отношению к передовому преподаванию в Германии.
В организации учебно-воспитательного процесса в вузах Н. И. Пирогов много внимания уделял содержанию и методам обучения. Он призывал развивать у студентов самостоятельность путем приобщения их к науке, к методам и способам, которыми современная наука доходит до конечных результатов. Развитие активности студентов в научной деятельности возбуждает критичность и самостоятельность мысли, интерес к науке, укрепляет доверие между студентами и преподавателем. Вместе с тем, Н. И. Пирогов большое внимание уделял самостоятельной работе преподавателей над повышением уровня знаний и творческим совершенствованием их педагогического мастерства. Он говорил, что только в практической учебно-воспитательной работе, только становясь воспитателем, педагог может сам воспитываться. Свои педагогические идеи и взгляды в области высшего образования Н. И. Пирогов неуклонно претворял в жизнь. На протяжении всей своей жизни, Пирогов непрестанно прилагал все усилия к тому, чтобы создать для высшей и средней школы такие условия, которые всемерно воздействовали бы росту науки и культуры и устраняли бы всё, что мешало развитию самостоятельной русской науки.
Так нобелевский лауреат И. И. Мечников отмечал, что Н. И. Пирогов не только выполнял свои обязанности, часто выезжая в другие города, где учились кандидаты, но и оказывал им и членам их семей любую, в том числе медицинскую, помощь. Тогда же Николай Иванович успешно оперировал Джузепе Гарибальди, чем спас ему ногу и, скорее всего, жизнь.
После этого случая, вызвавшего фурор в Петербурге, произошло покушение на Александра II нигилистов (1966), восхищавшихся Гарибальди, и, главное, что это не понравилось австрийскому правительству. Началась смена политического курса, связанного с постепенным сворачиванием реформ и «Красный» Пирогов был отозван в Россию с освобождением от исполнения служебных обязанностей. По представлению министра образования Д. А. Толстого, в 1867 г. Пирогов был отправлен в отставку. но при этом был сохранён статус чиновника и ранее назначенная пенсия.
Так была прервана плодотворная педагогическая деятельность Николая Ивановича Пирогова. После этого к педагогической деятельности Н. И. Пирогов больше не возвращался. После отмены крепостного права и начала этапа прогрессивного развития всех сторон общественной жизни, особенно образования, Н. И. Пирогов парадоксально и несправедливо оказался не у дел, не смотря на то, что наступало его историческое время. Как отмечал Н. С. Державин, «Пирогов воспитал в себе лучшие идеалы великой эпохи, эпохи широкого гуманизма и просветительных идей, и внес их в свою педагогическую деятельность. Он хотел поднять современную ему школу до уровня своих высоких идеалов, и, если достичь этого ему и не всегда удавалось, то, конечно, не потому, что в нём не было достаточно энергии, воли, настойчивости и характера, не потому, что идеалы его были слишком далеки от действительных нужд современной школьной жизни. Идеалов жизни Пирогов не мог осуществить в сфере своей школьной работы, потому что в окружающей его жизни эти идеалы были еще только намечены».
Поселившись в своем небольшом имении с. Вишня Подольской губернии (ныне Винницкой области) Николай Иванович продолжил частную врачебную деятельность. Главное содержание этого периода состоит в осмыслении им пройденного пути в «Дневнике старого врача», который он писал буквально до последнего вздоха, своего жизненного, в том числе и педагогического, формулируя на этой основе корпус значимых идей. По выражению Ф. А. Кони: «оставленный Пироговым Дневник старого врача даёт возможность заглянуть в его душу не как общественного деятеля и знаменитого ученого: он даёт возможность услышать голос сердца человека, того человека, которого Пирогов хотел воспитать бы в каждом юноше».
Первая жена Николая Ивановича Е. Д. Березина, представительница древнего дворянского рода, внучка генерала от инфантерии графа Н. А. Татищева, умерла в возрасте 24 лет от осложнений после родов, оставив на руках мужа двух сыновей. Сын Николай, обучался в университетах за границей в Гейдельберге, Берлине и Оксфорде, стал физиком. Занимался коммерческой. деятельностью, а с 80-х годов стал вести собственные научные исследования. Сын Владимир, историк и археолог, профессор Императорского Новороссийского университета на кафедре истории.