1853年，土耳其英法等国与俄国爆发了克里米亚战争。1854年3月，英法为援助土耳其，正式对俄国宣战。9月，英法联军登陆克里米亚，在前方发回的报道中，对伤兵没人照顾颇有意见。报道中说，法国伤兵有修女照顾，俄国伤兵有修女慈悲团照护，英国为何没有修女照顾伤兵!况且英军的医疗救护条件非常低劣。伤员死亡率高达42%。
当这些事实经报界披露后，国内哗然。南丁格尔闻知这一消息，立即给当时的作战部长海伯特的夫人写了一封信，表示愿自费率领四十名护士赴战地救伤。对于当时一位35岁的女性而言，这是一种非常艰巨的挑战。当时，在欧洲各先进国家早有被称为"姊妹 "(Sisters)的女护士出现，但英国由于受宗教和社会的成见，一直反对在医院特别是战地医院中有女护士出现。10月15日，海伯特部长同意了她的请求，并给南丁格尔回信，邀请她率领一批护士前往斯库塔里，由政府任命并给经费支援。南丁格尔欣然同意，五天后政府颁布她为驻土耳其英国总医院妇女护士团团长。护士团包括三十八名团员，其中十四位是由各医院选送的职业护士，另二十四位则是各宗教团体选派的。10月21日，她们即匆匆装束上路。在十一月四日到达斯库塔里，立即投入忙碌的工作。
最初，医师们基于传统认识及嫉妒心理，主张没有医师指示，不让她们涉足病房。一连四天被拒之门外。面对这种局面，南丁格尔首先着手进行改善伤兵的饮食，换洗肮脏的衣服，共同致力清理工作。她深深感到，一所完善的医院，必须有充分的供水与良好的排水系统。三个月下来，她清理好一万件衬衫。为了收容八百名新伤患，她自己出钱支付紧急修理病房费用。南丁格尔的积极服务精神，终于化解了军医们的敌视心理，更赢得了伤患的敬爱与信任。她夜以继日地将全部心力投入护理工作，使医院逐渐走上轨道，而她的办公室，也自然成为放射温暖与爱心光芒的中心。英军的医院院址，原是土耳其的驻军营房，建筑因陋就简，设备更是奇缺，整个医院肮脏破乱。因预定要收容二千五百位伤患，因此所有走廊里都开设成病房。这些走廊全长达四英里，病床拥挤不堪，卫生设备极差，通风尤其不良，臭气四溢，雨天满地污泥，晴天沙土侵袭，成群老鼠到处流蹿，环境极为恶劣。每个病人每天只能分配到500毫升水。由于床位不足，许多病人就睡在地板上，被子也不够用，有的竟以帆布代替，许多伤兵宁可不用。燃料一直缺乏，膳食供应更不理想。一般药品极为缺乏。在这种恶劣条件下，大批伤兵均感染了痢疾与霍乱。
南丁格尔拿出自己的3万英镑为医院添置药物和医疗设备并重新组织医院，改善伤员的生活环境和营养条件，整顿手术室、食堂和化验室，很快改变了战地医院的面貌，只能收容1700名伤员的战地医院经她安排竟收到3000~4000名伤员。在这里，她的管理和组织才能得到充分发挥。6个月后，战地医院发生了巨大的变化，伤员死亡率从42%迅速下降至2%。这种奇迹般的有目共睹的护理效果震动了全国，同时改变了英国朝野对护士们的估价并提高了妇女的地位，护理工作从此受到社会重视。护理工作的重要性亦为人们所承认。同时，为妇女开辟和创建了一个崇高的职业。南丁格尔为此付出极大的精力和心血，她建立了护士巡视制度，每天夜晚她总是提着风灯巡视病房，每天往往工作20 多个小时。夜幕降临时，她提着一盏小小的油灯，沿着崎岖的小路，在4 英里之遥的营区里，逐床查看伤病员。士兵们亲切地称她为"提灯女士"、"克里米亚的天使"。伤病员写道:"灯光摇曳着飘过来了，寒夜似乎也充满了温暖……我们几百个伤员躺在那，当她来临时，我们挣扎着亲吻她那浮动在墙壁上的修长身影，然后再满足地躺回枕头上。"这就是所谓的"壁影之吻"。因此，"提灯护士"和"护士大学生燃烛戴帽仪式"，也成为南丁格尔纪念邮票和护士专题邮票的常用题材。
南丁格尔在克里米亚的巨大成功和忘我的工作精神，博得各国公众的赞扬。护士工作的重要性为人们所承认，护理工作从此受到社会的重视。
过度的劳累使南丁格尔染上终生不愈的疾病。 她在克里米亚患了克里米亚热，健康还未完全恢复，就又继续工作。1856年11月她作为最后的撤离人员，返回英国。战争结束，南丁格尔避开政府隆重的迎接仪式，化名"史密斯小姐"悄悄返回英国的家里。她说:"我不要奉承，只要人民理解我。"
1907年12月，英王爱德华七世授予南丁格尔丰功勋章。这是首次将此类勋章颁授女性，真是无比光荣 。稍前曾有人提议，在维多利亚女王就职六十周年时，将护理事业进步实况做一次展示，但南丁格尔表示反对。她不愿将她的照片摆出去任人欣赏，认为这是愚不可及的事。然而在万泰芝女士的劝说下，她同意将一尊半身铜像，及她乘坐的一辆马车予以陈列。令她料想不到的是，她的铜像下面堆满了鲜花，老兵们纷纷上前亲吻这辆克里米亚马车。她被尊称为英军最尊敬的圣母。克里米亚战争爆发，造成众多人员伤亡。许多士兵返回英国后，把南丁格尔在战地医院的业绩编成小册和无数诗歌流传各地。有一首诗，在50年之后仍在英国士兵们重逢时传诵，诗中称南丁格尔是:"她毫不谋私， 有着一颗纯正的心， 为了受难的战士， 她不惜奉献自己的生命; 她为临终者祈祷， 她给勇敢的人以平静。 她知道战士们有着一个， 需要拯救的灵魂， 伤员们热爱她， 正如我们所见所闻。 她是我们的保卫者， 她是我们的守护神。 祈求上帝赐给她力量， 让她的心永跳不停。 南丁格尔小姐-- 上帝赐给我们的最大福恩。"
革命导师马克思和南丁格尔是同时代的人，他对南丁格尔的勇敢和献身精神十分敬佩和感动，写下两篇充满热情的通讯，分别刊载在德国的《新奥得报》和美国的《纽约论坛报》，使世人皆知这位伟大的女性。马克思说道:"在当地找不到一个男人有足够的毅力去打破这套陈规陋习，能够根据情况的需要，不顾规章地去负责采取行动。只有一个人敢于这样做，那是一个女人，南丁格尔小姐。她确信必须的物品都在仓库里，于是带领几个大胆的人，真的撬开了锁，盗窃了女王陛下的仓库，并且向吓得呆若木鸡的军需官们声称:我终于有了我需要的一切。现在请你们把你们所看到的去告诉英国吧!全部责任由我来负!"
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