Сначала в Киеве хирургия долго не налаживалась. Он ездил в Брянск оперировать легкие и пищеводы. В январе 1953 года получил письмо от своего друга Исаака Асина, патологоанатома: «Не приезжай. Берегись. Тебе угрожают большие неприятности». Против Амосова началось следствие. За пять лет работы в брянской больнице он сделал 200 резекций легких при раках, нагноениях и туберкулезе. Весь удаленный материал хранился в бочках с формалином. Следователь бочки опечатал и предложил Асину сознаться, что Амосов удалял легкие здоровым людям. В отделении быстро провели партийное собрание, на котором об убийствах заговорили в открытую. И никто не выступил в защиту Амосова. Позже выяснилось, что муж одной больничной сестры, следователь, захотел на Амосове сделать карьеру, раскрыть преступника-хирурга. Как раз перед тем в Москве арестовали группу кремлевских «терапевтов-отравителей» во главе с Виноградовым и написали в газетах об их вредительстве. К счастью, 5 марта 1953 года умер Сталин, дело прекратили. Врач из кремлевской больницы, на показаниях которой основывалось обвинение, сначала получила орден Ленина, потом исчезла.

Побывав в Мексике на хирургическом конгрессе и увидев аппарат искусственного кровообращения (АИК), который позволял делать сложнейшие операции на сердце, Николай Михайлович загорелся сделать для своей клиники такой же. Вернувшись в Киев, он засел за эскизы АИКа. Вспомнил, что дипломированный инженер все-таки и когда-то конструировал огромный самолет. За неделю сделал чертеж, аппарат изготовили за два месяца. В начале 1958 года уже пробовали выключать сердце на собаке, а в конце года рискнули перейти на человека. Только третий больной перенес операцию в апреле 1960 года. С тех пор в его клинике с помощью АИКа начали регулярно делать операции больным с врожденным пороком сердца и другой патологией. Одновременно его назначают заведовать отделом биологической кибернетики в Институте кибернетики АН УССР.