Ученый стал одним из первых, кто начал развивать бактериологию в Российской империи. В 1880-х годах он изучал бешенство в Париже, а вернувшись на родину, открыл первую бактериологическую станцию в стране и вторую в мире. Гамалея также стал первым в России, кто начал вакцинировать людей против бешенства, а в дальнейшем активно работал над профилактикой оспы, холеры, тифа и других инфекционных заболеваний.

Уже 6 апреля 1949 года было принято постановление «Об увековечении памяти выдающегося русского ученого-микробиолога почетного академика Николая Федоровича Гамалеи и об обеспечении его семьи». В Главархиве сохранилось решение исполкома Моссовета от 2 августа того же года, согласно которому на здании Центрального института эпидемиологии и микробиологии Академии медицинских наук, которым руководил Гамалея, предписывалось установить мемориальную доску с текстом: «Здесь работал с 1931 по 1949 год основоположник отечественной микробиологии, почетный академик Николай Федорович Гамалея».

Сегодня здание института, ставшее Национальным исследовательским центром эпидемиологии и микробиологии, носит имя Гамалеи. В архиве также хранится копия приказа по Академии медицинских наук СССР от 14 апреля 1949 года, который предписывал присвоить Институту эпидемиологии и микробиологии имя ученого и установить бюст микробиолога в конференц-зале. Были также учреждены премия имени Гамалеи за лучшие работы по микробиологии, эпидемиологии и иммунологии, а также докторская стипендия имени ученого.

В 1950–1951 годах профильному издательству Академии медицинских наук предписывалось выпустить серию научных трудов Николая Гамалеи. В 1956 году бюст ученого был установлен у одного из корпусов 2-го Московского медицинского института на Погодинской улице. В 1964 году его имя было присвоено улице в московском районе Щукино, что стало еще одной данью уважения к его вкладу в науку.