Вторая мировая война. Последние годы жизни
В 1939—1940 годах во время советско-финской войны 64-летний Бурденко выехал на фронт, проведя там весь период боевых действий, и руководил там организацией хирургической помощи в действующей армии. По опыту советско-финской войны он разработал положение о военно-полевой хирургии.
В 1941 году, с начала Великой Отечественной войны — главный хирург Красной Армии. Несмотря на свои 65 лет, он сразу же выехал в действующую армию, в дальнейшем пользовался всякой возможностью, чтобы побывать на фронте. Занимался организацией помощи раненым во время боёв под Ярцевом и Вязьмой.
Для проведения сложных операций Бурденко добирался до полковых и дивизионных медсанбатов, лично провёл несколько тысяч операций. Организовал работу по сбору оперативной информации о ранениях.
В 1941 году академик Бурденко был второй раз контужен во время бомбардировки на переправе через Неву. В конце сентября 1941 года под Москвой, при осмотре прибывшего с фронта военно-санитарного поезда у Николая Бурденко произошёл инсульт. Он пролежал около двух месяцев в больнице, почти полностью лишился слуха, и был эвакуирован сначала в Куйбышев, затем в Омск.
Ещё не оправившись от болезни, Бурденко в местных госпиталях занимался лечением поступивших с фронта раненых, обширной перепиской с фронтовыми хирургами передовых этапов. На основе своих наблюдений он написал ряд исследований, оформив их в виде девяти монографий по вопросам военно-полевой хирургии.
В апреле 1942 года Николай Бурденко прибыл в Москву, где продолжал исследовательскую работу, писал научные труды. В ноябре того же года был назначен членом Чрезвычайной государственной комиссии по установлению и расследованию злодеяний немецко-фашистских захватчиков; на работу этой ответственной комиссии по поручению правительства у него ушло много времени и сил.
1-я конференция фронтовых хирургов, Тамбов, ноябрь 1942 года Конференция проводилась на базе эвакогоспиталя 1189 (школа № 19). Н. Н. Бурденко прибыл на конференцию со всеми своими заместителями: профессорами В. С. Левитом, С. С. Гирголавом, М. Н. Ахутиным, главным травматологом проф. В. В. Гориневской.
В годы войны Бурденко создал стройное учение о ране, предложил эффективные методы хирургического лечения боевых травм. В мае 1944 года он разработал подробную инструкцию по профилактике и лечению шока — одного из самых тяжёлых осложнений военных травм. В борьбе с раневыми инфекциями Бурденко применял первые антибиотики — пенициллин и грамицидин. Для испытания этих препаратов Бурденко организовал научную бригаду из хирургов, бактериологов и патологоанатомов, и во главе её выехал на фронт. Опубликовал три «Письма хирургам фронтов о пенициллине». Вскоре по его настоянию эти препараты стали применять хирурги всех военных госпиталей.
В 1942 году впервые в мировой медицине предложил лечить гнойные осложнения после ранений черепа и мозга путём введения раствора белого стрептоцида в сонную артерию. Это позволило наилучшим образом доставлять стрептоцид к очагу инфекций в мозгу, в отличие от внутривенных инъекций, применявшихся в то время за границей. С 1943 года таким же способом Н. Н. Бурденко стал применять сульфидин, а с 1944 года — пенициллин.
Вторичный шов как элемент восстановительной хирургии стал шире применяться по настоянию Бурденко, что позволило возвращать раненых в строй в более короткие сроки. Во время войны Бурденко выпустил ряд указаний для фронтовых хирургов, которые касались обработки и подготовки раны к наложению шва.
Огнестрельные ранения артерий стали ещё одной темой научных работ Бурденко. Эта тема интересовала его ещё в Первую мировую войну. Он разработал методы оперативного лечения ранений сосудов, что позволило снизить процент смертности в войсках.
12 января 1944 года Бурденко был назначен председателем «Специальной комиссии по установлению и расследованию обстоятельств расстрела немецко-фашистскими захватчиками в Катынском лесу (близ Смоленска) военнопленных польских офицеров» (Катынское дело (1943-1944)). Польские военнопленные были захвачены советской стороной, переписка с ними прекратилась в 1940 году. По расследованию их убийства немецкие власти в 1943 году опубликовали ряд документов.
Советская сторона не признавала данные обвинения, и провела после освобождения территории от немецких оккупационных войск собственное расследование. 22 сентября 1943 года Бурденко обратился к В. М. Молотову с письмом, в котором сообщил, что методы расстрела советских граждан в Орле были идентичны способу казни польских офицеров, описанному в немецких публикациях. Об этом он также официально заявил 13 января 1944 года на первом заседаний Специальной комиссии, проходившем в здании Нейрохирургического института в Москве.
18 января 1944 года в Смоленск поездом прибыли Николай Бурденко, митрополит Николай (Ярушевич), В. П. Потемкин, С. А. Колесников, A.C. Гундоров, В. Н. Макаров, Д. Н. Выропаев, а также кинооператор А. Ю. Левитан и его помощники. В 11 часов 50 минут все выехали в Катынский лес для осмотра могил. На месте раскопок работало около 200 бойцов сапёрного подразделения.
В составе комиссии Николай Бурденко заслушивал показания местных жителей и производил вскрытия в составе группы из 75 врачей. На польских трупах, согласно записке Бурденко, «к счастию нашлись» неотправленные письма и другие документы с датами, которые указывали, по версии советских следователей, на время совершения данного преступления — после немецкой оккупации. Бурденко в составе комиссии указывал на немецкие пули и способ расстрела, а также на наличие довоенного пионерского лагеря промстрахкассы в лесопарковой зоне Смоленска рядом с местами захоронений. В газете «Правда» за 26 января 1944 года было опубликовано официальное Заключение комиссии.
30 июня 1944 года, в период завершающих битв войны, по инициативе Н. Н. Бурденко и в соответствии с разработанным им планом, была учреждена Академия медицинских наук СССР. Постановление об этом выпустило правительство, подчинив вновь созданный орган Народному комиссариату здравоохранения. Первым президентом АМН СССР был избран Н. Н. Бурденко, который, несмотря на болезнь, активно занялся организацией академии со всеми её научно-исследовательскими институтами.
За полгода до смерти Бурденко выступил с большой программной статьёй о проблемах послевоенной медицины. В июле 1945 г. Н. Н. Бурденко поразил второй инсульт. Несмотря на недуг, Николай Нилович работал на заседаниях Учёного медицинского совета, в Главном военно-санитарном управлении, в комиссиях, в госпиталях. Летом 1946 г. с Бурденко случился третий инсульт, учёный долго находился в предсмертном состоянии. С 1 по 8 октября 1946 г. в Москве происходил XXV Всесоюзный съезд хирургов. Почётным председателем этого съезда был избран Н. Н. Бурденко, однако он не мог самостоятельно выступать, и его доклад, посвящённый лечению огнестрельных ранений, который он писал на больничной койке, зачитал один из его учеников.
Н. Н. Бурденко скончался от последствий кровоизлияния 11 ноября 1946 года в Москве. Урна с прахом похоронена на Новодевичьем кладбище Москвы. На могиле установлен памятник работы скульптора Г. Постникова.