Русский врач-терапевт, один из основоположников клиники внутренних болезней как научной дисциплины в России, основатель военно-полевой терапии и военно-санитарного дела в русской армии. После окончания медицинского факультета Московского университета (1855) во время Крымской войны работал в Симферопольском госпитале (1855) и Бахчисарайском лазарете под руководством Николая Пирогова. Боткин сопровождал Пирогова в его второй поездке в Севастополь и на протяжении нескольких месяцев работал ординатором в Симферопольском военном госпитале. Именно под влиянием Пирогова в сознании Боткина зародилась идея новой дисциплины — военно-полевой терапии. В декабре 1855 направлен в Берлин, Париж, Вену для совершенствования в медицине. В 1860, вернувшись в Россию, поступил в Петербургскую медико-хирургическую (позднее Военно-медицинскую) академию на должность адъюнкт-профессора терапевтической клиники, а 1861 назначен ее руководителем-профессором и оставался им до конца жизни. В 1860—1861 организовал клинико-экспериментальную лабораторию, в которой впервые в России проведены исследования по клинической фармакологии и экспериментальной терапии. В 1866 член медицинского совета академии, в 1869 — член Военно-медицинского ученого комитета. В 1872 первым из русских врачей становится лейб-медиком, то есть личным врачом Александра II. В русско-турецкую войну 1877—1878 Боткин — главный консультант-терапевт при штаб-квартире русской армии.

Боткин — родоначальник нового направления в медицине - нервизма, установил инфекционный характер вирусного гепатита («катаральная желтуха»), исследовал и описал один из видов инфекционной желтухи (болезнь Боткина), создатель военно-полевой терапии. Большое внимание уделял организации военно-медицинской службы, эвакуации раненых и больных, методам лечения в полевых условиях. В 1880 по его инициативе открыта бесплатная больница (ныне больница его имени в Москве), введен институт санитарных врачей, открыты в 1872 женские врачебные курсы. В 1886 возглавил комиссию по выработке мероприятий к оздоровлению России в связи с высокой заболеваемостью и смертностью населения. Боткин издавал «Архив клинических внутренних болезней проф. С. П. Боткина» (1869—1889) и «Еженедельную клиническую газету» (1881—1889), являлся членом Петербургской городской думы, председателем больничной комиссии — руководителем медицинского дела в столице. В 1878—1889 председатель Петербургского общества врачей.