1910年12月，肺鼠疫在东北大流行。疫情蔓延迅速，当时清政府尚无专设的防疫机构，沙俄、日本均以保护侨民为由，要求独揽防疫工作，甚至以派兵相要挟。迫于形势，经外务部施肇基推荐，清政府派伍连德为全权总医官。
1911年1月，伍连德在哈尔滨建立了第一个鼠疫研究所，当时他年仅31岁，伍连德以其丰富的学识，不到4个月就扑灭了这场震惊中外的鼠疫大流行。清政府为表彰其功绩，一时被国内外誉为防疫科学的权威。1911年4月，在奉天（今沈阳）召开了有日本、英国、美国、俄国、德国、法国、意大利、荷兰、奥地利、墨西哥和中国11个国家医学专家参加的万国鼠疫研究会议，伍连德会上他系统地介绍了中国这次防治鼠疫的经验，与会的各国专家交流了各国的研究成果。
1912年，南京临时政府在哈尔滨设立东三省防疫事务总管理处，伍连德任处长兼总医官。他奔走海关、游说当局，锐意经营在哈尔滨、满洲里、齐齐哈尔、拉哈苏苏设立了四所直辖医院。1918年北洋政府在北京设中央防疫处，伍连德任处长。一向被忽略的防疫工作，至此被作为国家的一项事业而重视起来。
1926年，全国霍乱大流行时，伍连德领导东北的防疫机构人员再次投入各地防治工作。由于有了多年积累的工作经验，伍连德领导的东北三省防疫事务总处全力防治，均取得令人满意的效果。此时中国的防疫水平已超过日本和俄国。
1932年，中国全国各地霍乱大流行，在伍连德的带领下，上海地区中国的医疗人员进行了上百万人的疫苗接种。上海病人死亡率为全国最低仅7.4%。同样在上海，英法租界的病人死亡率均为30%。这是继1919年和1926年哈尔滨两次霍乱流行中，伍连德指挥东北防疫总处再一次大幅度领先洋人医院，这被视为当时全世界大城市流行病控制的最出色的行动。
中国海港检疫始于1873年，但半个世纪中海港检疫权与海关主权一并控制在帝国主义者手中，由外籍医生担任检疫医官，为外国人服务。辛亥革命后在爱国、民主运动的推动下，伍连德多次呼吁“自己办检疫”，向有关当局提出收回检疫主权、统一全国检疫事宜的主张。
1924年，泛太平洋保存食品会议在檀香山举行时，伍连德力陈海港检疫改革之必要。1926年，伍连德再次倡导检疫主权应归属中国政府卫生署，由中国人担任检疫医官的主张。1929年12月，国际联盟卫生处派调查团来华调查检疫，中国伍连德、金宝善、蔡鸿三位博士参加该团。伍连德等向南京国民政府提交收回检疫主权的书面报告，经交涉与该团达成协议。随后，国民政府卫生署派伍连德负责收回检疫主权事宜。
1930年7月1日，上海成立了全国海港检疫管理处，直属南京国民政府卫生署管辖，伍连德任全国海港检疫事务管理处监督，接管了外国控制的海港检疫机构，为中国卫生事业开拓了新的境界。全国海港检疫事务管理处成立之后，陆续接收了各沿海、沿江口岸的检疫机构。中国海港检疫事业能够收回主权、统一号令、开展业务，与伍连德坚持不懈的辛勤努力是分不开的。
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