Основоположник научной клиники внутренних болезней в России. Из московской купеческой семьи П.К. Боткина. Воспитывался старшим братом Василием Петровичем, известным деятелем отечественной культуры. Окончил Московский университет (1855). Стажировался в Германии, Австрии и Франции.

С 1861 г. профессор терапевтикеской клиники Петербургского медико-хирургической академии. Вслед за Л. Траубе (Берлин) развивал клинико-эксперименгалыюе направление: создал при клинике 1-ю в России лабораторию экспериментальной медицины (с 1878 г. в течение 10 лет её возглавлял И.П. Павлов); здесь начались исследования но экспериментальной патологии и терапии и клинической фармакологии, готовились кадры профессоров для российских университетов - в клинике Боткина прошли подготовку более 100 ординаторов, 85 из них защитили диссертации, около 40 возглавили кафедры и лаборатории по различным клиническим и теоретическим медицинским дисциплинам.

В классических лекциях «Курс клиники внутренних болезней» (1867-1875 гг.; 4-е изд., 1950) и «Клинические лекции» (1887), служивших руководст-вом многим поколениям отечественных врачей, и других его трудах содержатся многочисленные приоритетные идеи, главном образом в об-ласти физиологии и патологии сердца и сосудов, кроветворения, инфекционных заболеваний (об активной роли периферических сосудов в кровообращении, о двух выявленных им симптомах митрального стеноза - симптомы Боткина, об инфекционной природе т. н. катаральной желтухи - болезнь Боткина, 1866, и т.д.).

Создал крупнейшую научную школу, определявшую в течение многих десятилетий пути развития отечественной, клинической медицины.

В 1870 г. первым среди русских врачей назначен лейб-медиком императорского двора. При его непосредственном участии основаны Община сестёр милосердия св. Георгия (1870) и Женские высшие врачебные курсы (1872).

С 1878 г. он — председатель Общества русских врачей в Петербурге: как гласный городской думы (с 1881) фактически руководил столичным здравоохранением: был создан Совет главных врачей больниц Петербурга (главным образом его учеников), начата бесплатная медицинская помощь неимущим, открыта (1882) Александровская инфекционная больница (ныне его имени), организовав школьно санитарный надзор. Председатель (с 1886) комиссии при Медицинском совете по вопросам улучшения санитарных условий и уменьшения смертности в России.

В 1867-1888 гг. издавался «Архив клиники внутренних болезней проф. С. П. Боткина», в 1881-1889 гг. - «Еженедельная клиническая газета» (в дальнейшем «Больничная газета Боткина»).