1到达哈尔滨的第三天，伍连德得知傅家甸一名与当地人通婚的日本女人死于瘟疫，他决定解剖尸体。
当时中国对现代医学完全是一片蒙昧状态。旧时观念中，解剖尸体无疑是对死者的大不敬，不但面临着社会风俗的压力，从法律层面来讲，也是不被允许的。所以伍连德只能秘密进行。
这一次的尸体解剖，也是中国第一例有记载的病理解剖。在伍连德等人的推动下，1913年11月22日，北洋政府公布了关于尸体解剖法规的总统文告，随后颁发了详细规则，这是中国历史上首次官方准许尸体解剖的法律性文件。
当时也没有实验室，伍连德和助手就在当地总商会借了一个房间，做血液化验。将样本固定后进行组织切片检验。在贝克显微镜下，伍连德清楚地看到了一种椭圆形的疫菌——正是鼠疫。伍连德立即向北京外务部发去电文，报告此事，并且提出初步的防疫措施：控制铁路、公路交通，以防瘟疫蔓延；隔离疫区傅家甸；向关内征聘医生等。
伍连德发现，这一次发生的疫情显然与以往对鼠疫的认知有很多冲突。初到哈尔滨时，姚医生也向他坦陈了他的观察：傅家甸民居低矮肮脏，冬天门窗紧闭空气不流通，室内一人染病很快即感染全家——他认为这种病是在人与人之间通过飞沫和呼吸传播的急性肺部炎症。在伍连德到达哈尔滨前，日本南满铁路也派了一名日本医生前来调查病因，这名日本医生是北里柴三郎的学生，他一到哈尔滨，就立即雇人捉老鼠，希望在老鼠身上发现鼠疫杆菌。一连解剖了几百只，却没有发现一例带鼠疫菌的。基于种种事例，伍连德大胆提出，在傅家甸流行的鼠疫无需通过动物媒介，而可以通过呼吸之间的飞沫传染，他将此命名为“肺鼠疫”。
为了防止飞沫传染，伍连德设计了一种极其简单的双层纱布囊口罩，即用两层纱布，内置一块吸水药棉，戴上它就可以隔离病患，成本费仅需当时国币2分半钱。后来，在沈阳召开的国际鼠疫研究会上，各国一致赞成采用这种口罩。至今，医务人员仍在使用这种口罩，并称之“伍氏口罩”。
1911年的1月，是疫情最危急的时候。在伍连德的指挥下，傅家甸被分为4个区。每区由一名医药大员主持，配有两名助理、4个医学生和为数众多的卫生夫役与警察。救急队内分诊断、消毒、抬埋、站岗等诸多岗位。每天，各区派出40多支搜查队，挨家挨户检查疫情。一旦发现有人感染鼠疫，立即送到防疫医院，他们的房子用生硫磺和石炭酸消毒。
为了成功地执行分区防疫计划，从长春专门调来了由1160名士兵组成的步兵团。他们被安置在城外俄国一家空旷的面粉厂里，任务是对疫区内进行交通管制。政府规定，傅家甸内居民出行必须在左臂佩戴证章，根据各区不同证章分为白、红、黄、蓝4种。每个区的居民在左臂上佩戴不同的证章，可以在本区内活动，但要去别的区域，必须申请特别准许证。就连区内的军人们也必须严格遵循这一规章，不许随便走动。严格的警力，使得“任何人偷越封锁线几乎都是不可能的”。
傅家甸的防疫措施为整个东北做了一个表率。随后，哈尔滨俄人居住区、奉天、长春、黑龙江全省纷纷仿照傅家甸的模式建立起防疫体系。
1911年3月1日午夜，当鼠疫死亡人数为零的报告传来时，坐落在哈尔滨傅家甸的防疫总部内一片沸腾。几日后，鉴于鼠疫死亡连续多日为零，防疫委员会宣布解除对傅家甸的隔离。
哈尔滨鼠疫之后，伍连德又转战长春、沈阳等地，经过努力，到4月底，东北三省各地的鼠疫被全部消灭。这是人类历史上第一次依靠科学手段，在人口密集的大城市成功控制传染病的行动。
他是“中国现代医学奠基人”。他在哈尔滨设立防疫总局，创办了《中华医学杂志》，创立中华医学会，并建成现代化的北京中央医院（北京大学人民医院的前身）、创办哈尔滨医学专门学校（哈尔滨医科大学前身）等20多所医学院校。他实施了中国医生的第一次人体解剖。他在世界上第一次提出了“肺鼠疫”的概念。他主持了中国第一次大规模的对瘟疫死者尸体焚烧。他设计了中国第一个口罩。他是中国第一次用口罩预防传染病的推广者。
1911年4月3日至28日，“万国鼠疫研究会”在奉天(沈阳)召开，来自英、美、法等11个国家的34位医学代表参加大会，这是近代在中国本土举办的第一次真正意义上的世界学术会议，清政府出资10万两白银。梁启超也对伍连德称赞：“科学输入垂50年，国中能以学者资格与世界相见者，伍星联(伍连德字星联)博士一人而已！”
1914年，洛克菲勒基金会派出中国医学委员会，考察中国的医学和公共卫生状况。伍连德提出的在北京建一所现代化医学院和医院的建议被采纳——这便是后来的北京协和医学院及医院。
1918年1月，伍连德提议建立一所大型医院的建议，被政府批准。在为该院筹款过程中，伍连德自己捐了2500元。同时他全权负责总管筹建：在他主持下建成的北京中央医院成为中国人建立的第一所现代医院，也就是今天的北京大学人民医院。1924年，受张作霖委托，伍连德在沈阳建成了东北陆军医院，这是当时中国规模最大、设备最好的医院。
伍连德是中国防疫、检疫事业的先驱，杰出的社会活动家。由于他知识广博、敏于观察，具有强烈的事业心和组织才能，因而在防疫、检疫、兴办医院和医学教育，创建中华医学会，促进对外交流等诸多方面都做出了卓越的贡献。在他的各项业绩中都闪耀着炎黄子孙的赤诚。他大半生的活动丰富多彩，在国内和国际医学界都享有盛名。
