Научная, врачебная и педагогическая деятельность Нила Федоровича связана с двумя учреждениями: детской больницей на Садово-Кудринской улице, которая сейчас носит его имя, и клиникой детских болезней Московского университета.
Н.Ф. Филатов оставил глубокий след в деле изучения и клинического преподавания острых детских инфекций. Он придавал огромное значение знакомству детских врачей с инфекциями, сказав, что «врач без знания детских заразных болезней не может быть педиатром».
Его труды: «Семиотика и диагностика детских болезней», «Инфекционные болезни у детей», «Краткий учебник детских болезней» явились непревзойденным руководством для детских врачей. Еще при жизни Н.Ф. Филатова они были переведены на все европейские и японский языки. Им был разработан новый раздел в педиатрии - неврология детского возраста.
Н.Ф. Филатов первым в России в 1894 году применил противодифтеритную сыворотку, что позволило сократить смертность у детей до года в шесть раз.
Человек редких душевных качеств, прекрасный врач, он придавал большое значение моральному облику врача-педиатра, рассматривая один из главных вопросов врачебной этики - отношение врача к больному. Наблюдая на дому детей из бедных семей и зная, что одних лекарств недостаточно, он сам покупал продукты питания для больных.
При деятельном участии Н.Ф. Филатова был организован кружок детских врачей, который впоследствии превратился в Московское общество детских врачей. В течение 10 лет, до конца своей жизни Филатов являлся председателем этого общества.