В начале своей научной деятельности занимался вопросами бактериологии и иммунологии. В 1892 году первым в России приготовил и применил для лечения больных холерный антитоксин, а затем столбнячный токсин и антитоксин. В 1893 году приготовил лечебную противостолбнячную сыворотку. За границей изучал у К. Шиммельбуша (1860—1895) систему асептического способа оперирования, а у Л. Каспера — методику цистоскопии и катетеризации мочеточников и только что появившиеся другие эндоскопические методики. В апреле 1895 году защитил докторскую диссертацию на тему о столбняке.
4 октября 1895 года был назначен на должность штатного ассистента факультетской хирургической клиники Московского университета. В 1896 году назначен приват-доцентом клиники для преподавания курса диагностики хирургических болезней. В 1903 году возглавлял кафедру госпитальной хирургической клиники (ныне клиника факультетской хирургии) Военно-медицинской академии и внёс большой вклад в модернизацию учебной, лечебной и научной работы, повышение уровня профессиональной подготовки врачей. Фёдоровым были разработаны новые операции: пиелотомия «in situ», субкапсулярная нефрэктомия, предложены новые хирургические инструменты (специальный инструментарий для трепанации черепа, зажимы для остановки кровотечения из твёрдой мозговой оболочки, ректоскоп, набор инструментов для операций на жёлчных путях). Немало внимания уделял и хирургии органов брюшной полости, особенно хирургии желудка.
7 декабря 1909 года провел операцию по удалению стопы 57-летнему мужчине, во время операции впервые в мире был применен внутривенный гедоналовый наркоз (открыл его фармаколог Н. П. Кравков, методику применения разработал А. П. Еремич, он же выполнил наркоз 7 декабря). Последующие 63 операции с применением нового вида наркоза также были успешными. Это послужило началом широкого применения неингаляционного наркоза и дало мощный толчок развитию полостной хирургии.
Александр Бек в забытой ныне повести «Счастливая рука», главным героем которой является С. П. Фёдоров, писал: «В 1921 году Фёдоров, бывший лейб-хирург царя, был арестован. Следствие вела Петроградская чека. (…) …у Сергея Петровича были найдены письма из-за границы от брата, сановника рухнувшей монархии, деятельного противника советской власти». Далее повествуется, как его ученик, добившись встречи с Дзержинским, уговорил его отпустить С. П. Фёдорова[3].
Здесь может располагаться отдельный раздел. Помогите Википедии, написав его.(3 апреля 2024)
Из школы С. П. Фёдорова вышли выдающиеся врачи, хирурги: А. В.Смирнов[4], который в 1915 году стал руководителем хирургического отделения в клинике С. П. Фёдорова, в 1921 году организовал урологическую клинику;
Федоров С. П. Наружное сечение пищевода при инородных телах // Хирургическая летопись. — 1895. — Т. 5. — С. 10.
Федоров С. П. Экспериментально-клиническое исследование по вопросу о столбняке : диссертация на степень доктора медицины. — Москва, Высочайше утвержденное товарищество «Печатня С. П. Яковлева», 1895 г.
«Итоги лечения сывороткой злокачественных опухолей» («Хирургический Архив», 1896)
«Цистоскопия» («Врачебные Записки», 1897, № 4);
«Операция гастроэнтеростомии» («Летопись хирургического общества в Москве», 1896)
Fedoroff, S. von (1898). Über Rektoskopie und einige kleinere operative Eingriffe im Rectum. Archiv für klinische Chirurgie. 57(3).
Fedoroff, S. (1898). Über Kraniektomien nebst einigen Betrachtungen über die Heilung großer Operationsdefekte am Schädel. Archiv für klinische Chirurgie. 57: 727.
Иванова А. Т. Сергей Петрович Фёдоров (1869—1936): Научная биография. — М., 1972.
Козовенко М. Н. Профессор Сергей Петрович Фёдоров: Штрихи к портрету. — СПб., 2000.
Кнопов М. Ш., Тарануха В. К. Вклад школы С. П. Фёдорова в отечественную военно-полевую хирургию (к 140-летию со дня рождения профессора С. П. Фёдорова) // Хирургия (недоступная ссылка). — 2009. — № 1.
Шевцов В. И. Профессор Сергей Петрович Фёдоров. — СПб.: ВМА, 2009. — 109 с.
Бек А. Счастливая рука. — М.: Советский писатель, 1962. — С. 19—48. (в повести неправильно назван год смерти — 1936 вместо 1935).
Федоров С. П. Хирургия на распутьи. Новый хирургический архив. — 1926. — Т. 10, № 1—2. — С. 10—23.