Будучи попечителем Одесского и Киевского учебных округов, Пирогов проявил себя сторонником и участником прогрессивных преобразований в системе просвещения. Он настаивал на либеральных, коллегиальных началах управления учебными заведениями, выступал против регламентации сверху программ обучения и за предоставление педагогическим советам гимназий значительных прав в отношении корректировки программ. В статье "Нужно ли сечь детей", возражая против физических наказаний учащихся, Пирогов подчеркивал, что розги уничтожают в ребенке стыд. Пирогов усилил подготовку учителей на местах, организовал обмен опытом путем издания "циркуляров", оказавшихся своеобразными педагогическими журналами.

Пирогов однако не всегда мог препятствовать ретроградам. Так, он не сумел противостоять большинству чиновников Киевского учебного округа и подписал циркуляр, допускавший физическое наказание гимназистов.

По представлению министра образования Д. А. Толстого, в 1867 г. Пирогов был отправлен в отставку. Тем самым была прервана его плодотворная педагогическая деятельность.

В педагогическом наследии Пирогова особое место занимают идеи самопознания посредством воспитания и общечеловеческого воспитания, общечеловеческого образования. Эти идеи представлены в статьях "Вопросы жизни", "Быть и казаться", в других работах Пирогова, в речи на торжественном акте в Ришельевском лицее (1857).

Редкий человек, считал Пирогов, осознанно ставит перед собой жизненные цели. Между тем каждый должен задать себе вопрос, в чем смысл, предназначение и призвание его жизни. Ответ на них должно дать воспитание. Воспитание позволяет при решении "роковых вопросов" самопознания "созреть и окрепнуть внутреннему человеку".

Идеал нравственного воспитания Пирогов видел в христианской религии. Общественное бытие в значительной мере препятствует становлению отдельной личности в духе такого идеала, ибо в обществе нет "ни малейшего следа" помощи человеку в течение его земного существования, направленной на то, чтобы он приблизился к будущей загробной жизни. Воспитание должно исправить такое положение.