До конца жизни Военно-медицинская академия стала основным местом его деятельности. Здесь он сформировался как выдающийся клиницист, ученый и педагог. Здесь им были заложены основы современной научной терапии, создана первая в России клиническая лаборатория, способствовавшая внедрению в повседневную практику врачей физических и химических методов исследования. В ней под его руководством работал и будущий гениальный физиолог И. П. Павлов.

В конце 1861 года Сергей Петрович при активной поддержке студентов был избран ординарным профессором академии, заняв кафедру терапевтической клиники. Это произошло не без борьбы. В России того времени еще традиционно сохранялось засилье профессоров немецкого происхождения и в академии было много сторонников сохранения «немецких традиций», не хотевших, чтобы такая важная по своему значению кафедра перешла под начало молодого русского ученого. Сам Боткин так описывал развернувшуюся вокруг него борьбу в письме к брату М. П. Боткину: «Здесь открылась партия против меня, которая еще не успела спеться и приготовиться к действию. Одна партия, самая сильная, готовила Экка… Студенты прислали депутацию в конференцию и… просили заявить их желание видеть на этом месте Боткина, а не кого другого… Один из главнейших моих противников требовал, чтобы я прочел лекцию не теоретическую, но практическую над больными, которых мне выберут, что и было мною выполнено, после чего я был избран 16 голосами против трех в профессора клиники». Боткину не было еще и тридцати лет.

С. П. Боткин принадлежал к числу выдающихся деятелей русской науки XIX века. Молодой профессор ввел новейшие методы исследования, так называемый клинический разбор больных. Он пришел к выводу о необходимости индивидуального подхода к лечению больного человека. Поразительным было его влияние на улучшение самочувствия самих больных. Многие из них вспоминали, что одни и те же лекарства и назначения, если они исходили непосредственно от Боткина, обладали гораздо большей эффективностью, чем когда их назначали другие врачи. В таких случаях говорят о психотерапевтическом влиянии на больного самой личности врача. Для преподавания он считал очень важным посмертное подтверждение диагнозов, практикуя во всех случаях обязательное вскрытие. Многие его ученики приобрели известность: Н. П. Симановский, В. А. Манассеин, В. Н. Сиротинин, Н. И. Соколов, М. В. Яновский и др. Его лекции издавались в огромном количестве экземпляров.

Известность Боткина росла. В 1866 году он стал членом медицинского совета Министерства внутренних дел и Военно-медицинского ученого комитета, в 1870 году получил звание академика Медико-хирургической академии и был назначен лейб-медиком царской семьи. Он стал первым русским придворным врачом. Ранее этой чести удостаивались только иностранцы. Назначение вызвало у Сергея Петровича противоречивые чувства. С одной стороны, это являлось признанием его заслуг и открывало новые возможности влиять на постановку медицинского дела в стране. Печать, ранее нападавшая на него, стала расхваливать на своих страницах нового академика, помещать его портреты, рекламировать боткинские порошки, боткинские капли и даже боткинский квас. С другой стороны, новые обязанности нередко надолго отвлекали от его любимых занятий, науки, его клиники.

С. П. Боткин на обходе больных в клинике

С. П. Боткин должен был посвящать немало времени придворной службе, ему было поручено лечение больной императрицы Марии Александровны. Весной 1872 года он сопровождал царственную пациентку в Ливадию. Затем две зимы подряд Боткину пришлось провести с императрицей на побережье Средиземного моря, в Сан-Ремо. Фактически ему приходилось всегда сопровождать государыню в ее заграничных путешествиях, иногда подолгу находиться вне Петербурга. Все это лишало его возможности читать курс лекций в академии, прерывало клинические занятия. Боткин не любил ни своего придворного звания, ни своих обязанностей во дворце. В своем дневнике он записывал во время поездки с двором императрицы в Сорренто, Рим и Эмс: «Все рассуждают с точки зрения себялюбия, самолюбия, зависти… общество невозможное, скорее вон из него».

Дворцовые интриги, пересуды, зависть угнетали его, однако отказаться от придворной службы было невозможно, это могло быть неправильно истолковано. Боткин, впрочем, и свои заграничные путешествия с двором старался использовать: посещал больницы, знакомился с иностранными учеными и новыми достижениями медицины. Кроме тяжелых психологически обязанностей придворного медика, досаждали ему и многочисленные титулованные пациенты, не только русские, но и иностранцы. Популярность Боткина за границей была настолько велика, что его встречали всюду, особенно в Германии и Франции, с большим почетом. В Париже, когда он посетил лекции знаменитого профессора Шарко, тот представил Сергея Петровича в таких лестных выражениях, что студенты устроили ему грандиозную овацию.

Чрезвычайно популярен С. П. Боткин был как практикующий врач и замечательный диагност, внимательный к больным, неоднократно помогавший им деньгами. В его небольшой гостиной в доме у Спаса Преображения на прием набивалось до 50 человек. Он всегда оказывал помощь беднякам, хотя был обременен большим семейством (у него было 12 детей) и часто не имел лишних и свободных денег.

Сергей Петрович был прекрасным музыкантом, отлично игравшим на виолончели. Три раза в неделю, уже в двенадцатом часу ночи приходил к нему для репетиций профессор консерватории Зейферт. В воскресные вечера исполнялись квартеты классической музыки. В остальные дни С. П. Боткин любил играть в фортепианном сопровождении жены.

Как все Боткины, он отличался широким гостеприимством. Большой популярностью пользовались «боткинские субботы». Среди друзей и знакомых Сергея Петровича было много художников, артистов, музыкантов, литераторов. Это создавало своеобразную атмосферу вечеров. Один из сыновей Боткина вспоминал: «Отец мой – молодой профессор медицинской академии был душой целой плеяды молодых русских ученых, которые собирались у него по субботам, вечером, и засиживались до поздней ночи. Поэты, музыканты, композиторы, драматурги и романисты смешивались на этих вечерах с докторами, химиками, физиологами и математиками, и все вместе за большим овальным столом представляли из себя в высшей степени своеобразное сборище». Из этого кружка вышли ученый-химик и композитор А. П. Бородин, композитор Цезарь Кюи, читавший фортификацию в Артиллерийской академии, писатель-сказочник и профессор зоологии Вагнер. «Все это результаты субботних вечеров, – шутил отец. – Когда музыканты, литераторы и ученые садятся за один стол и пьют чай из того же самовара – ученые становятся артистами и наоборот».

В числе друзей и близких знакомых Сергея Петровича были не только люди разных профессий, но и разных социальных групп и поколений: А. И. Герцен, М. Е. Салтыков-Щедрин, Л. Н. Толстой, композитор и дирижер Э. Ф. Направник, художник П. П. Чистяков, ученый И. М. Сеченов. К нему обращались за помощью и консультацией и банкиры, и промышленники, и художники, и титулованные особы, и простые люди. Благородная связующая и просветительская роль Боткиных была им продолжена в еще больших масштабах. Более всего она проявилась в его общественной деятельности.

В самом ее начале он стал одним из организаторов и руководителей Георгиевской общины сестер милосердия при главном управлении Общества попечения о раненых и больных воинах. В задачу общины входила подготовка сестер милосердия для ухода за больными и ранеными. В 1874 году при общине по предложению Боткина была открыта школа фельдшериц. Он вообще придавал огромное значение становлению в России женского медицинского профессионального образования. В 1872 году Сергей Петрович стал одним из организаторов первого в России учебного заведения при Медико-хирургической академии, позволяющего женщинам получить высшее медицинское образование, – «Особого курса для образования ученых акушерок» с 4-летним сроком обучения. В 1876 году акушерские курсы были преобразованы в Женские врачебные курсы с 5-летним сроком обучения. В том же году Боткин был избран членом главного управления Общества попечения о раненых и больных воинах.