В 1885 г. он успешно окончил медицинский факультет Московского университета, после чего сразу же добровольно отправился в Крым, где работал врачом-ординатором в военном госпитале под непосредственным руководством Н. И. Пирогова.

С. П. Боткин был первым, кто создал в России при клинике ряд экспериментальных лабораторий: физиологическую (в которой начинал работать знаменитый физиолог И. П. Павлов), бактериологическую, химическую и общеклиническую.

Сергей Петрович Боткин успешно занимался изучением ряда инфекционных заболеваний. Мировую известность ему принесла подробная разработка клиники, причин возникновения и лечения такого заболевания как вирусный гепатит (который в настоящее время имеет второе название - "болезнь Боткина").

Также С. П. Боткин являлся одним из родоначальников военно-полевой медицины. Он участвовал в русско-турецкой кампании (1877-1878), принимал активное участие в решении проблем эвакуации больных в условиях военных действий и в подготовке профессиональных кадров.

Перу С. П. Боткина принадлежит более 70 научных медицинских работ, одна из самых известных - это "Курс клиники внутренних болезней", на которой выросло не одно поколение русских клиницистов.

Сергей Петрович Боткин был великолепным педагогом, возглавлял с 1861 г. академическую терапевтическую клинику при Медико-хирургической академии в Петербурге. Среди его учеников и последователей были такие известные врачи как Н. А. Виноградов, М. В. Яновский и др.

Начиная с 1920 г., имя С. П. Боткина носит городская клиническая больница в Москве.