Попав в Вюрцбург, Боткин с жадностью набросился на работу у Вирхова; здесь перед ним открылся совершенно новый мир знаний, то неизвестное ему дотоле плодотворное направление в медицине, одним из ревностных и видных поборников которого он вскоре сделался. До Вирхова научная медицина была догматикой, основанной не на фактах исследования, а на гипотезах и теориях, большею частью чисто умозрительных, а потому стояла совсем особняком в ряду человеческих знаний. Вирхов же ввел ее в разряд естественноисторических наук, приложив и разработав экспериментальный метод, благодаря которому открылось совершенно новое поле для исследований, оправдавшихся самыми богатыми результатами и в корне преобразивших изучение медицины. В ней до того господствовало так называемое «гуморальное» направление, приписывавшее происхождение болезней изменениям в крови; то было учение о кразах венского профессора Рокитанского – учение совершенно умозрительное и принятое на веру, несостоятельность которого Вирхов так ясно доказал своими гениальными и фактическими трудами, что сам Рокитанский вынужден был признать справедливость их и отказаться от своего учения. Вместо разрушенных гипотез Вирхов создал и сложил в стройное целое учение о клетке, которое легло в основание всей современной науки вообще и патологии в частности.
Боткин в своей речи о Вирхове так, между прочим, охарактеризовал его заслуги: «Патологоанатомические исследования Вирхова, пополнявшиеся опытами над животными и клиническими наблюдениями, оказали особенно важное значение для практической медицины; Вирхов научил целые поколения не ограничиваться одними гипотезами, а путем исследований искать истину… Его окончательные выводы могут измениться, целлюлярная теория, может быть, заменится новою; но путь исследований, указанный Вирховым, останется надолго открытым – с богатыми плодами в будущем». Главным орудием в деле открытий Вирхова и обновленной им науки являлся микроскоп – инструмент, не находивший в преподавании медицины в Москве никакого применения, так что студенты того времени если и видели его иногда, то издали, и считали за что-то таинственное, кабалистическое. Боткину как вскормленнику старой школы пришлось в Вюрцбурге начинать изучение медицины чуть ли не с азов, со знакомства с микроскопом, с элементарного микроскопического исследования как нормальных тканей человеческого тела, так и патологических изменений в них. «Я должен был много работать, – продолжает он в той же речи, – много учиться, от многого отказаться, чтобы слушать Вирхова и понимать значение его лекций и все богатство их содержания. Привыкши слышать общие катехизисные истины, мы лишены были возможности отличать гипотезу от фактов. Еще менее, конечно, умели ценить отдельные факты и давать им истинное значение».
Боткин понял не только громадное значение нового направления, но и всю цену личного руководства Вирхова, а потому когда последний осенью того же 1856 года занял по приглашению правительства кафедру в Берлине, то и Боткин вслед за ним перебрался туда же. Здесь, в центре обширного сада, в котором помещались клиники Charite, возникло по мысли и плану Вирхова здание института патологии со всеми необходимыми для занятий приспособлениями – и Боткин стал в нем почти безвыходно проводить целые дни, деля свои занятия между микроскопом и лабораторией, которой заведовал тогда Гоппе-Зейлер, впоследствии весьма известный профессор Страсбургского университета. Кроме того, он аккуратно посещал расположенную в том же саду клинику профессора Траубе, отличавшуюся не столько богатством материала, сколько строго научным и всесторонним его изучением благодаря преподавателю. Траубе в ряду славных клиницистов нашего времени занимает бесспорно первое место; он обладал многими из тех драгоценных для клинициста свойств, какие были присущи натуре Боткина. При одинаковой у обоих основательной подготовке в физиологии и мастерском владении методами исследований Траубе тоже поражал своей необыкновенной наблюдательностью и пытливостью ума, помогавшими ему в самом ординарном клиническом больном уловить индивидуальные особенности и разбор его болезни сделать интересным и поучительным не только для студентов, но и для врачей – для последних даже как для лучших и более опытных ценителей всех тонкостей диагностики еще в гораздо большей степени, чем для первых.