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.

Крупнейший деятель русской хирургии в послепироговский период её истории. Окончил Московский университет (1859). Профессор Университета св. Владимира (Киев, 1870), Петербургской МХА (с 1871); профессор и декан медицинского факультета Московского университета (1880-1893 гг.): под его руководством построен знаменитый клинический городок на Девичьем поле.

В 1893-1900 гг. – директор Клинического института усовершенствования врачей в Петербурге. Один из пионеров внедрения в русскую хирургию принципов антисептики и асептики, отечественной хирургии брюшной полости и военно-полевой хирургии.

Предложил ряд операций, которые носят его имя: удаление камней из мочевого пузыря, замещение дефекта дуг позвонков, операция по поводу геморроя, метод соединения костей - «русский замок».

Инициатор Пироговских съездов врачей. Президент 12-го Международного конгресса врачей в Москве (1897) и 1-го съезда российских хирургов (1900).