В 1847 году Сергей поступает приходящим учеником в пансион Эннеса, посещавшийся и его братьями. Некоторые предметы там преподавались на французском языке, но древние языки не изучались. Поэтому Сергей, уже при поступлении заявивший, что желает подготовиться в университет, сразу же стал брать дополнительно уроки латинского языка. Уроки русского языка и русской истории проводил известный собиратель древнерусских преданий и народных сказок А. Н. Афанасьев, уроки всеобщей истории – профессор политической экономии И. К. Бабст, математику преподавал Ю. К. Давидов, получивший вскоре кафедру в Московском университете.
Уже во время обучения в пансионе Сергей обнаружил выдающиеся способности по математике и по совету брата и его друзей из кружка Грановского решил поступать в университет на математический факультет. Проучившись в пансионе два года, он досрочно, до его окончания, сдает экзамены для поступления в университет и блестяще их выдерживает. Интересно, что репетитором у него был студент медицинского факультета Рубинштейн, брат знаменитых музыкантов.
Однако желанию юного Боткина не суждено было сбыться. Как раз в это время Николай I издал указ, согласно которому на все факультеты принимались только лучшие ученики казенных гимназий. Исключение составлял лишь медицинский факультет. Огорченному юноше пришлось стать студентом-медиком. Эта «неудача» оказалась счастливой для С. П. Боткина и всей русской медицины. Его ближайший друг и сокурсник, а впоследствии биограф, доктор И. А. Белоголовый, не сомневался в правильности сделанного Боткиным выбора, отмечая, что «в области кабинетной науки он не встретил бы возможности развернуть те гуманные и многообразные практические стороны своего характера, которыми так щедро наградила его природа и которые во врачебной деятельности, более чем в какой-либо другой, находят самое обширное повседневное приложение». Позднее и сам С. П. Боткин пришел к выводу, что «медицинская деятельность наиболее способна дать полное нравственное удовлетворение».
О студенческой жизни его известно немного. Доктор И. А. Белоголовый пишет, что Сергей Петрович аккуратно посещал лекции и тщательно их записывал. Его записями пользовались товарищи-однокурсники. Особое внимание Боткин уделял слушанию лекций по физиологии и фармации. Высоко ценил он, как учителя, широко известного в то время профессора Ф. И. Иноземцева, преподававшего клинические дисциплины.
На пятом курсе Боткин проявил себя как талантливый студент, обладавший клиническим мышлением и умевший лучше других разбираться в диагностически запутанных случаях. Эти его качества отмечались многими однокурсниками и преподавателями. По окончании университета в апреле 1855 года он был сразу допущен к докторскому экзамену, который сдал в это же лето, и был направлен под начальство знаменитого хирурга Н. И. Пирогова в Симферополь, куда после падения Севастополя доставлялись главные транспорты с ранеными. Здесь, в Бахчисарайском госпитале великой княгини Елены Павловны, Сергей Петрович на протяжении трех с половиной месяцев исполнял обязанности ординатора, заслужив блестящий отзыв Н. И. Пирогова. За это время он удостоверился в чрезвычайно скромных возможностях практической медицины того времени и, кроме того, с горечью убедился в своей непригодности к хирургической деятельности из-за слабого зрения. Боткин вспоминал позднее, что испытывал особенные затруднения при ампутации конечностей, когда приходилось перевязывать мелкие сосуды, чтобы остановить кровотечение.
С. П. Боткин
Ко времени окончания войны у С. П. Боткина созрело убеждение в недостаточности знаний и необходимости поездки за границу для совершенствования в специальности. После смерти отца Сергей Петрович, как и другие младшие братья, получил в наследство некоторую сумму денег, которая дала ему возможность отправиться за границу для продолжения образования.
В феврале 1856 года Боткин выехал в Германию, предполагая через полтора года вернуться, чтобы занять освобождающуюся должность адъюнкта в клинике Медико-хирургической академии. Однако пребывание за границей затянулось. Случайная встреча в дороге с немецким врачом, ярко описавшим блестящие достижения в науке Рудольфа Вирхова, произвела на Боткина настолько сильное впечатление, что он решил немедленно ехать в Вюрцбург к Вирхову, за которым вскоре последовал в Берлин. Здесь Боткин осваивал работу с микроскопом в лаборатории Патологического института Гоппе-Зейлера и в клинике известного профессора Таубе. В Берлине он сблизился с группой молодых русских ученых, особенно с И. М. Сеченовым, с которым навсегда сохранил дружеские отношения. В декабре 1858 года он переезжает в Вену, где работает в университете и слушает лекции знаменитого физиолога К. Людвига.
