Giner le presentó a Luis Simarro, socialista y miembro de la Masonería, quien había introducido en España la nueva psicología experimental y las corrientes psiquiáticas alemanas.
Comenzó su carrera de investigador en el laboratorio de Simarro, quien le formó en neuroanatomía y anatomía patológica del sistema nervioso, introduciéndole al mismo tiempo en la psiquiatría y la neurología.
La enfermedad de su hermano, que después fallecería por tuberculosis, le obligó a regresar a Madrid, donde cursaría por libre los tres últimos años de la licenciatura en Medicina.
Enamorado de su prima Lola Artajo, regresa a Madrid en 1910 y ocupa diversos puestos como neuropsiquiatra en la medicina privada, hasta que se incorpora al laboratorio de Ramón y Cajal, lo que alterna con su experiencia clínica.
Su ojo clínico le permitió diagnosticar a Ramón y Cajal la enfermedad de arterioesclerosis cerebral y a él mismo la enfermedad de Hodgkin, una leucemia linfocítica, tras sufrir los primeros síntomas en 1916.
En homenaje a Nicolás Achúcarro, en el País Vasco abre sus puertas uno de los más relevantes institutos dedicados a la Neurociencias que existen en España y uno de los más específicamente centrados en el estudio de las células gliales del mundo entero: el Achucharro Basque Center for Neuroscience.