Сергей Петрович родился в купеческой семье, получил образование в частном пансионе и поступил учиться на медицинский факультет Московского университета, который окончил в 1855 году со званием «лекарь с отличием». Кроме того, Боткин получил обширную подготовку в разных разделах медицины в Германии, Австрии, Англии, Франции и других европейских странах.
Во времена Боткина врачи действовали по давно установившейся схеме: если какое-то лекарство помогло одному больному, в любых других более или менее схожих случаях его прописывали и другим. Тогда никто не задумывался о том, что каждый человек индивидуален и имеет свои особенности организма. Первым это доказал именно Боткин. Он считал, что к каждому медицинскому случаю нужно подходить индивидуально, учитывать возраст больного, его анатомию, условия жизни и многие другие факторы. Сейчас это кажется очевидным, однако в те времена это был революционный подход к лечению.
В 1861 году Сергей Петрович занял должность руководителя клиники, которую раньше возглавлял профессор П. Д. Шипулинский. При этой клинике Боткин создал первую в Российской империи экспериментальную лабораторию. Позже, в 1870-х годах, Боткин боролся за права женщин на высшее медицинское образование, открыл школу фельдшериц и «Женские врачебные курсы».
Боткин всегда активно участвовал в общественной жизни и пытался внести вклад в улучшение качества жизни граждан и улучшить санитарное состояние страны. Он начал организацию бесплатной медицины для бедных слоев населения, открыл первую бесплатную амбулаторию, сформировал концепцию военной медицины и питания солдат. Благодаря Сергею Петровичу в России появился прообраз «Скорой помощи» — санитарная карета.
Медицинская наука во многом обязана открытиям и предсказаниям Боткина. Так, он впервые описал болезнь, считавшуюся до этого желудочно-кишечным катаром. Он описал, как болезнь протекает, какие осложнения вызывает и пришел к выводу, что это инфекционная болезнь, развивающаяся в результате потребления загрязненных пищевых продуктов. Впоследствии это заболевание назовут болезнью Боткина (вирусный гепатит А). В своих лекциях Боткин выражал уверенность, что в будущем в головном мозге ученые обнаружат центры управления кроветворением, регуляцией тепла и др. Сейчас существование этих центров доказано.
