文久3年（1861年）芸平は親の希望を叶え故郷である信州飯山に戻った。沼田病院を開き地元住民への医療活動に勤めて、明治11年（1878年）には長野県議会議員となっている。明治12年（1879年）に飯山の寿と照里の両村で青年会が討論会を行っている。長野県において、青年会があったのはこの2つの村だけであった。これは、沼田芸平と平井三斧の両県会議員が指導したものである明治13年（1880年）に長野県初の政治結社「寿自由党」が飯山の顔戸村開成所に集う若者たちにより立ち上げられた。芸平は自由民権運動を担う若者たちへの指導をしたり、明治期の新しい文明・文化などを教えている。明治23年（1890年）8月2日、62歳で病になりその生涯を閉じた。明治44年（1911年）、信州飯山の長峰神社の境内にて、長男の英之介、高弟の北沢量平、足立幸太郎などが発起人となって頌徳碑（しょうとくひ）が建立されている。この頌徳碑（沼田世遠翁墓碑銘）には碑文が記されており、本記事に記載している沼田芸平の生涯についてが漢詩調にて彫られている。
芸平が飯山に戻る決意をした際は友人から「君が中央にあれば、日本国中に名を成す人になるが、田舎にひっこめば、あたら才能が埋もれてしまう」と諌められ海軍の軍医になることを勧められている。しかし、芸平の帰郷の決意は固かった。師である緒方洪庵からは「地方文化の開花の先達になれ」との言葉を受けた。適塾の医学修行のあとには、知り合った熊本藩医である寺倉周偵や、下総国佐倉藩医の佐藤尚中（順天堂病院初代院長）などのもとへ訪ねたりし交流を続けた。
沼田芸平・福沢諭吉・長与専斎の3人は相談をして各々の雅号をつけたり、塾生等から「3人兄弟」と呼ばれたりする位仲がよかった。福沢諭吉は「雪池」、長与専斎は「松香」、芸平は「世遠」を雅号としている。芸平は福沢諭吉が『福翁自伝』に記した「熊の解剖」について思い出話を語っている。諭吉が適塾の塾頭の時に、薬種屋が適塾の学生に解剖をやらせ「肝さえあれば用なし」と帰ってしまった。この態度を知った適塾の学生たちは薬種屋を許せず襲撃事件を引き起こした。これを聞いた緒方洪庵は学生の乱暴狼藉に激怒した。乱暴を働いた件の謝罪をする事になるが誰も応ずるものがなく、塾頭であった福沢諭吉が責任を果たさなければならず3人兄弟で協議をした。この時に芸平は字がうまかったため、詫び状を書かされたということであった。「字が上手なおかげで、こんな役をさせられて馬鹿馬鹿しかった」と述べている。緒方洪庵は3人に向けて、「福沢は学者が良いだろう、沼田は数学の知識に欠けるから医者になれ、長与は記憶があやしく医者の見込みはない」と言った。長与は家が代々医者であり「是非医者にしてください」と嘆願した。福沢と沼田はこれを気の毒に思って特に先生に頼んで長与は医学の許しを得たという。長与が衛生局長となった時に沼田はその成功を祝った。長与は沼田が田舎に退いたことを惜しんだ。これを聞いた福沢は「沼田は中央にあれば長与以上の仕事をしただろうが、失敗も必ず大であっただろう」と笑ったと言う。
大坂の緒方洪庵の適塾には安政3年（1856年）10月14日、27歳の時に門人となった。ここで文久3年（1861年）の33歳で信州飯山へ戻るまでの5年間、解剖外科を基本とする西洋医学に打ち込んだ。適塾では慶應義塾を開いた福沢諭吉をはじめ、日本の衛生思想を広めた長与専斎など、様々な西洋外科医との親交を結び友人となった。
九代将軍徳川家重が行い、その獲たツルを朝廷に献じ、恒例となった。毎年11月下旬から12月にかけ、多くは寒の入りののち、鶴御飼附場（飼付場）である千住三河島筋、小松川筋、品川目黒筋の3方面で行われ、代（しろ。鳥が季節により下り集まる所）はもとはそれぞれ18箇所ずつにわかれていたが、のち15箇所ずつに減った。それぞれの飼場は鳥見が1人いて、これを管し、下飼人である網差およびその見習が日々そこにつめて、餌（毎日3回、籾5合ずつを撒く）を与え、種々の方法を講じて代に初めて下りたツルを馴らし、人をおそれなくなるのを見て、あらかじめこれを鷹匠頭に報告する。鷹匠頭はそれを検分してのち、さらに若年寄に上申し、若年寄は老中と協議のうえ、日時をさだめ、将軍に言上する。当日、将軍は藤色の陣羽織、従者はばんどり羽織、股引、草鞋で、将軍はまず寄垣（代附の外側に結んだ青竹の垣）の内にもうけた仮屋につく。将軍は鷹匠頭からタカを受け取り、鳥見が大きな日の丸の扇を高くあげてツルが逍遥しているほうにすすみ、ツルが驚いて飛び立とうとするのを見て、タカを放つ。もし1羽ではおぼつかないと思われる時は、鷹匠がさらに第2、第3のタカを放ち助けるが、タカ1羽でツルをとらえることはまれであるという。とらえられたツルは鷹匠が刀を執って将軍の前で左腹の脇をひらいて臓腑をだしてタカに与え、あとに塩をつめて縫い、昼夜兼行で京都へたてまつった。街道筋ではこれを「御鶴様のお通り」といった。このツルの肉は新年三が日の朝供御の吸物になった。当日、ツルをとらえた鷹匠には金五両、タカをおさえたものには三両のほうびをたまわり、ツルをとらえたタカはその功を賞して紫の総（飾り房）をつけて隠居を命じられるならいであった。当日、午餐のときに菰樽二挺の鏡をひらき、ツルの血をしぼっていれた鶴酒を供の人々に賜ることはのちに例となった。