К поступлению в Московский университет Сергей готовился у студента-математика А. Ф. Мерчинского, а с августа 1847 года — в частном пансионе. Закончив только второй курс пансиона, Боткин решает его бросить и держать экзамены на математический факультет Московского университета, но возник форс-мажор — указ от 30 апреля 1849 года: прием на все факультеты, кроме медицинского, прекратить. Боткин не сразу отказывается от математики в пользу медицины. Колеблясь в выборе, он заканчивает третий курс пансиона и лишь весной 1850 года решается подать документы на медицинский факультет.
Сергей Петрович Боткин окончил медицинский факультет Московского университета в 1855 году и вскоре с отрядом Н. И. Пирогова уже принимал участие в Крымской кампании, исполняя обязанности ординатора Симферопольского военного госпиталя. На стороне Турции против России выступили Франция, Англия и позже — итальянское государство Сардиния. Осенью 1854 года, точнее 1 сентября, на горизонте у Севастополя показались сотни вражеских кораблей. Еще через несколько дней произошла высадка десанта противника у Евпатории. Разгорелись бои на русской земле, был осажден город-крепость Севастополь. Количество раненых измерялось десятками тысяч человек.
В 1856-1860 годах Боткин находился в заграничной командировке. По возвращении он защитил докторскую диссертацию «О всасывании жира в кишках» и в 1861 году был избран профессором кафедры академической терапевтической клиники.
Чтобы оценить значение Боткина, необходимо припомнить, в каком положении находились русские врачи и русская медицина во время его деятельности. Как пишет историк медицины Е. А. Головин, «медицинские кафедры во всех русских университетах были заняты людьми, лучшие из которых не выходили за уровень посредственности. Ученым считали уже того, кому удавалось перевести с иностранного на русский язык или скомпилировать, с грехом пополам, какое-нибудь руководство по лечению болезней. Большинство преподавателей повторяло из года в год одни и те же, раз и навсегда заученные лекции, сообщая подчас сведения, носившие средневековый отпечаток. В своих лекциях одни клиницисты вещали, что печень есть «много раз свернутый кишечный канал», другие разглагольствовали о молоке, всасывающемся в кровь в послеродовом периоде, и т.п.»… далее
М.С. Шойфет, «Сто великих врачей»