Как ёмко написал А. Н. Острогорский, «на свой пост педагога-администратора Пирогов пошёл, чувствуя себя миссионером, учителем жизни, проповедником высокой и святой идеи, почерпнутых из уроков и из земной жизни Богочеловека». По словам Н. С. Державина: «На педагогическом поприще Пирогов явился, как общественный деятель с ясным, точным и определенным миросозерцанием, с готовыми решениями по всем мельчайшим вопросам педагогической практики и притом с решениями не шаблонными, но глубоко продуманными и оригинальными».
Сохранились письма Н. И. Пирогова, где он описывает свое душевное состояние в связи с назначением. А Великому князю Константину Павловичу он писал: «Как отец и как русский я постигаю всю важность воспитания для нашей земли и искренне желаю его видеть основанным не на одних временных потребностях страны, но на началах более глубоких и верных».
Ещё 4 января 1856 года, вскоре после возвращения с Крымской войны, Николай Иванович подал рапорт об уходе из Медико-хирургической академии, мотивируя это своим «расстроенным здоровьем и домашними обстоятельствами». В июле 1856 года был подписан приказ об увольнении Пирогова, что совпало с публикацией «Вопросов жизни» и предложением министра народного просвещения принять должность попечительства учебного округа и чин тайного советника, что соответствовало званию генерал-полковника.
В 1856 г. Пирогов ушёл из Медико-хирургической академии, получив пост попечителя Одесского учебного округа, который занимал в течение двух лет. Административно-педагогическая деятельность Н. И. Пирогова была насыщенной и плодотворной. Он содействовал работе педагогических советов учебных заведений, принимал меры по совершенствованию преподавания иностранных языков, поощрял творчество и самообразование преподавателей, заботился о расширении педагогического образования (учредил педагогическую семинарию при Киевском университете), уделял специальное внимание улучшению качества преподавания в частных женских школах-пансионах, учреждал первые воскресные школы, противодействовал сокращению университетской автономии.
Он настаивал на коллегиальных началах управления учебными заведениями, выступал за предоставление педагогическим советам гимназий прав в отношении корректировки программ, направленных на развитие у учащихся первоначальных основ мышления и наблюдательности путем обучения родному языку, счету и, в частности, развитие наблюдательности путем наглядного обучения в духе Песталоцци. В своей статье «О наглядном обучении» Николай Иванович раскрывал способ наглядности в преподавании естественных наук, считая, что: «Вообще, главная обязанность педагога заключается преимущественно