Для изучения проблем научной медицины и физиологии Сергей Петрович создал первую в России экспериментальную лабораторию. Из нее, в частности, вышло большое число работ, посвященных изучению в клинике и в эксперименте важнейших лекарств, в том числе открытых школой Боткина. Ни один смертный случай в его клинике не проходил без вскрытия, и врачи имели возможность убеждаться, насколько патолого-анатомические изменения соответствовали прижизненному диагнозу. Очень много ученый сделал для организации медицинской помощи беднякам. В 1861 г. он открыл при своей клинике первую бесплатную амбулаторию.
В связи с его заслугами в медицине уже в начале 1860-х гг. Боткин был назначен совещательным членом медицинского совета Министерства внутренних дел и военно-медицинского ученого комитета. Профессор первым из российских врачей стал почетным лейб-медиком Александра II.
Ученый был горячим сторонником права женщин на высшее медицинское образование, и в 1872 г. при его деятельном участии в Петербурге были открыты первые женские врачебные курсы. Вместе со своим другом, физиологом И.М. Сеченовым, Боткин первый в России предоставил возможность женщинам-врачам работать на своей кафедре.
Когда началась Русско-турецкая война 1877 – 1878 гг., профессор снова пошел в военный лазарет и приложил немало сил для улучшения условий жизни солдат и работы госпиталей. В 1877 г. ученый с возмущением писал с фронта о тех полководцах, которым «кровь русского солдата не дорога». Военно-полевая терапия обязана ему многими ценными новшествами в вопросах эвакуации раненых с поля боя, оказания им первой помощи, устройства госпиталей, организации санитарной и противоэпидемиологической служб. Он также внес много нового в улучшение программы подготовки военных врачей в Медико-хирургической военной академии.
Чрезвычайно плодотворной была деятельность профессора в качестве гласного городской думы Санкт-Петербурга. По его инициативе и указаниям город энергично взялся за улучшение содержания больниц и приступил к устройству новых – общины Св. Георгия и Александровской барачной больницы для малоимущих. Благодаря его настойчивости в начале 1880-х гг. и в других городах России появились первые бесплатные лечебные учреждения для беднейшего населения. Боткин заслуженно пользовался всеобщим признанием и любовью населения, учащейся молодежи, врачей и всей передовой интеллигенции. Немало этому способствовали и его исключительные личные качества как человека гуманного, отзывчивого и вместе с тем смелого и принципиального, с высоким пониманием гражданского долга.
А еще ученый был неплохим виолончелистом. Как-то, будучи за границей, он захотел посетить небольшой курортный городок. Местные врачи решили устроить торжественную встречу знаменитому профессору, но никто из них не знал его в лицо. На вокзале они увидели приезжего, который нес две виолончели. Встречающие решили, что это бродячий музыкант, и не подошли к нему. А Сергей Петрович после напряженной работы получал от игры на виолончели великое вдохновение. Он называл игру на этом инструменте «освежающей ванной».
У Боткина было 13 детей. Один из них, Евгений Сергеевич, доктор медицины, действительный статский советник, стал последним императорским лейб-медиком. После революции он добровольно отправился в тобольскую ссылку с семьей императора Николая II и не покинул своих пациентов до последних дней, оставшись верным профессиональному и нравственному долгу. В 1918 г. Евгений вместе с царской семьей был расстрелян большевиками в Екатеринбурге. По иронии судьбы он, внук купца, был убит в подвале купеческого дома.