1955 р. Амосов організував і очолив клініку серцевої хірургії, перетворену в 1983 р. на Інститут серцево-судинної хірургії АМН України. Восени 1957 р. він їздив на конгрес хірургів до Мексики, де вперше побачив операцію на серці із застосуванням апаратів штучного кровообігу (АШК) і дуже зацікавився цим. Купити апарат було неможливо, та для інженера Амосова це не було проблемою. Він розробив власний проект, але необхідні трубки і, найголовніше, гепарин проти зсідання крові в Союзі було важко знайти. І тоді Микола Михайлович на мізерні 15 доларів, що залишилися від виданих грошей за відрядження, купив мінімум необхідного. Апарат було випущено на одному з підприємств Києва. А 1958 р. в Інституті кібернетики створили спеціальний відділ, де Амосов об'єднав навколо себе колектив ентузіастів. У його лабораторіях і відпрацьовувалися схеми операцій з АШК, потім додалися фізіологічні дослідження серця за участю інженерів і математиків. 1959 р. було вдало проведено операцію хлопчикові з важким уродженим пороком серця – так званою «Тетрадою Фалло». А 1960 р. Амосов очолив відділ біоенергетики Інституту кібернетики Академії наук України, в якому займався розвитком ідей, що зародилися в нього ще в Череповці: регулюючі системи організму – від хімії крові, через ендокринну і нервову системи до кори мозку; механізми розуму і штучний інтелект, психологія та моделі особистості, соціологія й оптимальні моделі суспільства, глобальні проблеми людства. Робота відділу тривала аж до 1990-х pp., коли колектив розпався й у відділі залишилася тільки група зі штучного інтелекту.
Микола Амосов був напрочуд різнобічною людиною. Основоположник радянської кардіохірургії став учителем практично всіх провідних українських і російських кардіохірургів. Коли 1962 р. на перше місце вийшла проблема протезів серцевих клапанів, Амосов розробив свою модель – із напівсфери, доповненої спеціальною обшивкою корпусу, що перешкоджала утворенню тромбів. І саме з цього часу, як вважає Микола Михайлович, «почалося зростання моєї кар'єри відразу по декількох лініях». Він став незмінним учасником усіх міжнародних з'їздів і конференцій кардіохірургів. Його обрали членом-кореспондентом АМН, відзначили Ленінською премією. 19 років він чесно виконував обов'язки депутата Верховної Ради СРСР. Особливо тяжкими були прийоми громадян: «Горя наслухався понадміру, на додаток до хірургічних нещасть». І якщо стосовно себе Амосов свято дотримувався правила М. Булгакова: «Ніколи нічого не проси», – то для простих людей він добивався багато чого і поза хірургією.
Одне з найяскравіших світил сучасної медицини, автор робіт із медичної і біологічної кібернетики («Моделювання мислення і психіки») був талановитим популяризатором ідей і письменником, читав лекції по всьому Союзу. Його книги «Думки і серце», «Записки з майбутнього» і «Голоси часів» видані мільйонними накладами