Su carrera como médico estuvo influenciada por los conflictos bélicos y las repercusiones políticas de la guerra civil inglesa.
Participó en la Guerra Civil como capitán del ejército de Cromwell, enfrentándose al rey Carlos I. Ejerció en Londres, aunque sus ideas políticas imposibilitaron su pertenencia al Royal College of Physicians.
Reunió su amplia experiencia clínica en el libro " Observationes medicae " Observaciones médicas sobre la historia y curación de las enfermedades agudas (1676) en cuyo prólogo expuso un programa para construir una nueva patología basado en la descripción de todas las enfermedades "tan gráfica y natural como sea posible" ordenando los casos de la experiencia clínica en especies igual que hacían los botánicos.
Su notoriedad llegó a oídos de John Locke en Oxford; cuando éste fue trasladado a Londres entabló una fuerte amistad con Sydenham, que le acompañaba todos los días en su visita médica impresionado por su excelente práctica.
Es famosa sus célebres frases (1680): «De los remedios que ha dado Dios al Hombre para aliviar su sufrimiento, ninguno es tan universal y eficaz como el opio.