С. П. Боткин указал пути разрешения таких актуальных проблем, как депонирование крови, определив физиологическую роль такого «депо», как селезенка. Он предварил открытие Баркрофта, который опубликовал свои исследования только в 1923 году, те же самые основные положения были выдвинуты С. П. Боткиным в 1874 году. Он был первым из русских ученых, разработавших гипотезу о влиянии центральной нервной системы на кроветворение и состав крови. Впервые указал на значение распада ткани в патогенезе лихорадки, что явилось настоящим предвидением современной раздражающей неспецифической терапии. С. П. Боткин первым из русских клиницистов указал на роль скрытых форм болезней для понимания возникновения эпидемии. И желтуху, которую его зарубежный коллега Р. Вирхов рассматривал как «механическую», относил к инфекционным заболеваниям. С тех пор катаральную желтуху именуют «болезнью Боткина».
За 30 лет работы С. П. Боткина на кафедре факультетской терапии он создал крупнейшую в России терапевтическую школу. В созданной им клинической лаборатории с 1878 года в течение 10 лет трудился знаменитый физиолог И. П. Павлов, который провел здесь свои выдающиеся исследования, написал диссертацию. Вместе с Я. Я. Стольниковым они придумали методику с искусственным кругом кровообращения – прообраз будущего сердечно-легочного препарата. Учеником С. П. Боткина, его ассистентом был Н. А. Бубнов, замечательный ученый, который будучи последователем боткинской школы, придавал первостепенное значение эксперименту для изучения целостного значения физиологических процессов, а также наблюдению. Тысячи цифр характеризуют результаты различных клинических наблюдений в его диссертации, посвященной физиологическому и терапевтическому действию горицвета на кровообращение. Он был не только хорошим врачом. Во всем следовал примеру С. П. Боткина. В Николае Александровиче Бубнове «студенты всегда находили… предупредительную готовность в деле разъяснения и научного совета. Больные видели в нем гуманнейшего врача, не покидавшего их ни днем, ни ночью» (он жил в самой клинике). Это был любимый ученик С. П. Боткина. Он, подавая помощь больному дифтеритом, заразился тяжелой формой этой болезни и умер, прожив всего 33 года. С. П. Боткин писал о нем: «… не об ассистенте клиники скорблю я, а о погибшем честном деятеле…
Страстная, бескорыстная любовь к ближнему, чувство долга, жажда знания – были главными стимулами его деятельности и, в силу сложившихся обстоятельств, он имел неоднократно возможность высочайшего в жизни счастия удовлетворения существенным потребностям своей души».