Studia kontynuował na Uniwersytecie w Dorpacie i ukończył je z wyróżnieniem w 1906 roku.
Od stycznia do grudnia 1904 roku służył jako wolontariusz w służbach medycznych na wojnie rosyjsko-japońskiej w Mandżurii, w bitwie pod Delisi został raniony w rękę.
W czerwcu 1910 roku został privatdozentem, a w listopadzie profesorem nadzwyczajnym tej uczelni. W 1918 roku został profesorem na Uniwersytecie w Woroneżu, od 1923 roku był profesorem na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Moskiewskiego, od 1930 roku przekształconego w 1. Moskiewski Uniwersytet Medyczny. Szefował tamtejszej klinice chirurgicznej, obecnie noszącej jego imię. Od 1929 roku był dyrektorem kliniki neurochirurgicznej Instytutu Radiologicznego, przekształconej w 1934 roku w pierwszy na świecie instytut neurochirurgiczny. Był członkiem honorowym Międzynarodowego Towarzystwa Chirurgów.
Pełnił funkcję osobistego lekarza Józefa Stalina, leczył także Wiaczesława Mołotowa oraz inne osobistości. W 1939 został członkiem Komunistycznej Partii Związku Radzieckiego.
Komisja Burdenki W styczniu 1944 roku został przewodniczącym komisji powołanej przez władze radzieckie do zbadania zbrodni katyńskiej, znanej jako tzw.