Несмотря на горячую любовь к музыке, родители уговорили его пойти в медицину. В доме Бильротов препираться было не принято. Изучать медицину он начал в Грейфсвальде, а затем перешел в Геттингенский университет. Здесь на него оказали влияние физиолог Вагнер, под руководством которого он впервые начал микроскопические занятия, и хирург Баум, высокообразованный человек, с которым долгие годы после окончания университета Бильрот продолжал советоваться. Будучи на четвертом курсе, Бильрот переходит в Берлинский университет, где учится под руководством Лангенбека, Шёнлейна, Траубе и Ромберга. В Берлине он защищает диссертацию на латинском языке (о поражении легких после перерезки n.n. vagorum) и после сдачи экзаменов, в 1855 году, совершает поездку в Вену и Париж, чтобы совершенствоваться в хирургии. По возвращении в 1855 году он получает место ассистента у знаменитого хирурга Бернарда фон Лангенбека (1810–1887). Одновременно с хирургией он усиленно работает в области патологической анатомии и в 1856 году становится приват-доцентом хирургии и патологической анатомии. Работая с Вирховым, он настолько преуспел в патологической анатомии, что получил приглашение на одноименную кафедру в Грейфсвальде, но предложение не принял.
В 1860 году Бильрот получил кафедру хирургии в Цюрихе, где в то время членами факультета были Гризингер, Молешотт, Г Мейер, Риндфлейт, Эберт и др. Начиная с 1867 года и до конца жизни Бильрот — профессор хирургии в Вене. В этом же году он опубликовал книгу, которая нанесла уничтожающий удар по средневековым методам, все еще применявшимся в клиниках, и содержала план реорганизации хирургии. Блестяще владея техникой операций, он разработал ряд новых, широко вошедших в хирургическую практику операций: резекция пищевода желудка (1872); удаление гортани и предстательной железы (1873); обширное иссечение языка при раке (1874), печени (1875) и т. к. Операцию на зобе Бильрот провел совместно со швейцарским хирургом Кохером. Как хирург Нобелевский лауреат Кохер уникален. Достаточно сказать, что в Медицинском Энциклопедическом словаре две неполные страницы посвящены только перечислению его различных методов операций.
Стоит сказать, что еще в 1847 году, то есть задолго до Бильрота, выдающийся хирург Пирогов впервые удалил зоб. Операция была по тем временам необыкновенно смелой. Даже после нее Французская академия наук не сняла запрета оперировать на щитовидной железе. Нашлись в то время медики, упрекавшие Пирогова в безрассудстве. Пирогов теоретически разработал операции на щитовидной железе, еще будучи профессором хирургии в Дерпте, в преддиссертационной работе. Между задумкой и риском было еще шестнадцать лет.
Современные научные представления о щитовидной железе стали складываться к концу XIX века, когда Кохер (Е. Th. Kocher, 1841–1917) в 1883 году описал признаки умственной отсталости (кретинизма) у ребенка после удаления железы по поводу зоба — резкого ее увеличения. Термин «кретин» является искаженным французским словом «кретьен» — христианин. В далекие времена, не зная истинной причины умственной отсталости, люди считали таких больных «отмеченными Богом». После наблюдений Кохера и его коллег интерес к щитовидной железе заметно возрос, тем более что в 1896 году А. Бауманн установил высокое содержание йода в железе и обратил внимание исследователей на то, что еще древние китайцы успешно лечили кретинизм золой морских губок, содержащей большое количество йода.
Давно было известно и во время войны доказано, что человеку можно ампутировать руку или ногу и он будет жить. Однако до Бильрота не знали, что участок внутренних органов человека, пораженный язвой или опухолью, может быть удален, а края операционных ран — сшиты вместе. В 1880 году он произвел резекцию желудка. Весть об этой успешной операции облетела весь земной шар. Медицинский мир встрепенулся, почувствовал, что Бильрот открывает новую область желудочно- кишечной хирургии. Профессор Бильрот превратил хирургию из грубого ремесла, практиковавшегося городскими брадобреями, в точно документированное искусство. Он первым решился публиковать отчеты о своих операциях, хотя они были неутешительными. «Неудачи нужно признавать немедленно и публично, ошибки нельзя замалчивать. Важнее знать об одной неудачной операции, чем о дюжине удачных», — говорил Бильрот. Не всегда он проявлял мужество, вовсе не стыдясь этого. Он разработал хирургическую статистику с указанием отдаленных результатов операций.
Его приглашали в качестве врача к императорам, королям и властелинам восточных стран. Побывал он и в России, где лечил поэта Н. Некрасова и консультировал своего тяжелобольного учителя Н. Пирогова. Заработки этого виртуоза хирургии достигали сотни тысяч долларов в год, тогда как ассистенты получали 36 долларов в месяц, помощники профессора — сто шестьдесят шесть, несмотря на то, что некоторые из них достигли среднего возраста и им нужно было содержать свою семью. Без согласия Бильрота они не могли заниматься частной практикой. Каждому из них он разрешал отдельные частные операции за плату, достаточную лишь для того, чтобы не впасть в отчаяние. Больница, операционные, оборудование, помощники и молодые профессора предоставлялись в распоряжение Бильрота бесплатно. Помимо этого у него был свой частный госпиталь.
Профессор Бильрот пришел к выводу, что главной причиной больничной горячки и высокой смертности от нее является царившая в больницах грязь. В отделении, которым он руководил, смертность пациентов достигала 42 процентов. Он распорядился производить ежедневно тщательную уборку всех помещений больницы. Один раз в неделю все палаты поочередно освобождались от больных и коек; палаты проветривали, вытирали пыль с мебели, тщательно убирали и мыли полы. Операционный зал убирали и мыли ежедневно, после операции. Кроме того, Бильрот порвал с традицией грязных сюртуков. После многочисленных ходатайств и не без борьбы добился от дирекции больницы белых кителей для врачей, притом в таком количестве, какое было необходимо для ежедневной перемены всеми врачами. По примеру Земмельвейса распорядился, чтобы все хирурги перед операцией обязательно мыли руки в хлорной воде. Сам же он мыл руки после операций сулемой.
Профессор Бильрот был одним из первых сторонников асептики в хирургии. Все эти мероприятия в значительной степени уменьшили послеоперационную смертность в больнице. Однако Бильрот не мог до конца изжить случаи заболевания послеоперационной горячкой. Этого добились несколько позднее, когда выдающийся французский химик Луи Пастер предложил применять для борьбы с микробами высокую температуру, прежде всего выпарку хирургических инструментов, то есть повсеместно применяющуюся теперь стерилизацию.
Парадоксально, но, борясь за стерильность, Бильрот в то же время не разрешал белые халаты в операционной, так как считал, что они делают врачей похожими на парикмахеров. Он просто закатывал рукава своих дорогих костюмов из добротной шерсти. Такое же отношение было и к перчаткам. Сестер в операционный зал не допускал. И это происходило в то время, когда страшный палач — заражение — день и ночь стоял с топором над больным. Что Бильрот! Его знаменитый учителе Лангенбек даже в 1880 году продолжал оперировать в черном драповом сюртуке с едва приподнятыми рукавами. Причем операции производил поочередно на «гнойных» и «чистых» больных.
В этот раз амфитеатр был заполнен до отказа, всем хотелось посмотреть, как оперирует виртуоз Бильрот. Так ли хорош в его руках скальпель, как смычок от скрипки? Профессор Бильрот дал знак старшему из помощников доктору Антону Вёльфлеру, чтобы тот зачитал историю болезни. «Пациент Иосиф Мирбет, сорока трех лет. По-видимому, выпил налитую в водочную рюмку азотную кислоту, приняв ее за лимонад. Симптомы: проходит только жидкость. Все, что он проглотит, вызывает рвоту. Ощущение большой тяжести в области желудка и боли в спине. Диагноз: язва желудка».
Один из ассистентов закрыл лицо пациента марлей, смоченной хлороформом. Бильрот сделал параллельно ребрам на два сантиметра ниже пупка надрез длиной в двенадцать дюймов. Он перерезал кровеносные сосуды между желудком и пищеводом. Желудок стал свободноподвижным, и его можно было перемещать. Одни помощники наложили зажимы на кровеносные сосуды и скобы, чтобы держать разрез открытым, другие осушали тампонами полость от крови. Бильрот внимательно осмотрел полость, делая замечания, которые заносились ассистентом в историю болезни под точно выполненным им же рисунком разреза.