В русско-японскую войну добровольно ушёл на фронт и работал врачом в Порт-Артуре. Лечил русских военнопленных в Японии, в 1905 году вернулся в Россию. В начале 1914 года переехал в Саратов, где был избран профессором кафедры хирургической патологии Саратовского университета. С 1923 года являлся ректором университета (последний ректор медик), после чего в 1928 году предпочёл руководящей должности научную работу на кафедре. Совершенствовал разработанные им методы оперативного вмешательства при тяжелых заболеваниях мочевого пузыря и уретры, метод пересадки мочеточников в толстый кишечник, широко известный ныне как "операция Миротворцева". В годы Финской и Великой Отечественной войн работал главным хирургом эвакогоспиталей Саратовской и Пензенской областей, где внедрял прогрессивные и эффективные методы оказания помощи раненым. За годы практической и научной деятельности Миротворцевым написано свыше 80 работ, в том числе 23 монографии по практической хирургии, исследования коллатерального кровообращения, патологии и клиники сарком кишечника и костей. Умер академик 4 мая 1949 года в Саратове. Бюст выдающегося саратовского врача С.Р. Миротворцева установлен у административного корпуса Клинической больницы имени С.Р. Миротворцева на пересечении улиц Большая Садовая и 2-я Садовая.
В Порт-Артуре для отряда Красного Креста переоборудовали грузопассажирский пароход "Монголия", который принадлежал обществу Китайской Восточной железной дороги. Из него получился самый настоящий плавучий госпиталь на 160 коек, с операционной и рентгеновским кабинетом. За все время сражений через палаты "Монголии" прошли более 920 раненых и больных цингой, и немалую роль в их исцелении сыграл Сергей Романович Миротворцев. Трудился он и в наземном госпитале Красного Креста. Его оружие не штык, а скальпель, он спасал, а не уничтожал. И кто считал количество спасенных, в те дни, когда раненые с передовой шли нескончаемым потоком?
Когда город захватили японские войска, в госпиталях Порт-Артура находились 17 тысяч человек. Многие врачи и медсестры остались верными долгу и не оставили своих больных, хотя японское командование милостиво разрешило гражданскому персоналу покинуть город вместе с прочими гражданскими лицами. Миротворцев также остался с ранеными. Через полгода японцы разрешили Миротворцеву вывезти самых тяжелых пациентов в Россию морским путем. Судно пересекло Индийский океан, обогнуло Африку и через месяц плавания наконец прибыло в Одессу. К тому времени Сергей Романович заслужил репутацию отличного полевого хирурга и был награжден орденами святой Анны 2-ой степени с мечами, Святого Станислава 3-ей степени с мечами, Золотой медалью на Георгиевской ленте с надписью "За храбрость", медалью Красного Креста за войну с Японией, серебряной медалью "За осаду Порт – Артура". Набор геройский и заслуженный.
После окончания Первой мировой войны Сергей Романович возвратился в Саратов на кафедру общей хирургии. В 1918 году избран членом правления Саратовского университета, в 1920 году — деканом медицинского факультета. В 1919 г. был избран на кафедру факультетской хирургии, которой он заведовал в течение 30 лет до конца своих дней. В 1922 г. С.Р. Миротворцев был избран ректором Саратовского университета и оставался в этой должности 6 лет. Был последним ректором—медиком. В 1928 г. он принял решение не баллотироваться на новый срок, а сосредоточиться на работе на своей кафедре.
В годы гражданской войны под его руководством в Саратове и области были сформированы и работали 60 госпиталей для оказания помощи раненым. Снова потоки раненых, только теперь красноармейцев и краскомов. Жизнь каждого человека важна, независимо от политической окраски, а дело хирурга — спасать, а не разбираться в идеологических пристрастиях. Позже, случайно оказываясь свидетелем "пораженческих разговоров" среди медперсонала, Миротворцев никогда не докладывал о них в соответствующие органы, хотя был обязан это делать, как руководитель. Он был порядочным человеком.
Заведуя факультетской хирургической клиникой, продолжал совершенствовать предложенный им ранее оригинальный метод оперативного вмешательства при некоторых тяжелых заболеваниях мочевого пузыря и уретры. Разработанный им метод пересадки мочеточников в толстый кишечник получил широкое распространение в хирургии и в настоящее время известен под названием «операции Миротворцева». Во время советско-финской войны Миротворцев руководит и является главным хирургом эвакопункта № 45, куда привозят тяжелораненых бойцов из Восточной Финляндии, Карелии и Мурманской области. Помимо этого, Миротворцев составил и начал читать студентам саратовского мединститута курс военно-полевой хирургии. В 1935 году ему было присвоено звание заслуженного деятеля науки РСФСР. В 1939—1941 годах — главный хирург эвакопункта № 45 по организации хирургической помощи раненым в войне с белофиннами[
Санитарные поезда с ранеными стали приходить в Саратов в начале июля 1941 года. К тому времени в Саратовской области было развернуто 17 тысяч коек, в Саратов прибывали госпитали из Киева, Донбасса, Тулы и прибывшие врачи и медсестры сразу включались в дело. А раненые все прибывали и прибывали. Не хватало мест и раненых размещали в зданиях школ, вузов, клубов, санаториев и гостиниц. Уже в декабре 1941 года в Саратове организовано 30 тысяч госпитальных коек, но не хватает и их.
Не хватало медсестер и в саратовских школах организовали специальные курсы для старшеклассниц, эти девочки работали в госпиталях наравне с взрослыми. Врачей не хватало тоже, их массово отзывали на фронт. И хирургов заменили стоматологи, гинекологи, окулисты. Миротворцев организовал курсы переподготовки врачей в клиническом городке мединститута. В августе 1941-го врачи обсуждали быстрое продвижение гитлеровцев на восток. В этот момент в ординаторскую стремительно вошел Миротворцев в белом халате: "Это моя пятая война. Поверьте моему опыту: скоро наступит осень, и немцы увязнут в нашей родной жирной грязи. Потом ударят русские морозы. А там придет подкрепление с Урала и из Сибири".
Операционный стол сменяется столом кабинетным, за которым надо решать срочные организационные и хозяйственные вопросы (нужно достать бинты, йод, спирт, медикаменты, мебель, решить вопрос с отоплением, похлопотать о жилье для санитарок. Затем снова операция, а потом надо бежать в мединститут, давать лекцию, а вечером опять операции и надо успеть забежать домой, хотя бы на час, потому что ночью могут срочно вызвать на экстренную. 25 января 1942 года Сергей Романович Миротворцев записал в свой дневник: "Сегодня после операции зашел взвеситься. Оказывается, вес моего тела 81,300 кг. А в день объявления войны во мне было 106 кг".
Следует особо подчеркнуть, что в своих научных взглядах он опирался на тщательно проверенные факты, от сотрудников требовал безупречной честности, беззаветной преданности своему делу, любви к пациентам и науке. Лекции Сергея Романовича всегда проходили очень живо, в них он приводил образные высказывания видных врачей, писателей и поэтов, остроумные сравнения, освещал вопросы врачебной этики, подчеркивал значение доктора и его обязанности по отношению к больным и обществу. Среди ценных высказываний ученого о научной работе особенно интересно следующее: «Творчество должно быть свободно: ведь человек пишет научную работу не для себя, в ней он хочет передать свои мысли другим для того, чтобы они подкрепили его предположение своими наблюдениями или использовали результаты его наблюдений»
На основании опыта лечения многих тысяч раненых С. Р. Миротворцев сформулировал ряд важных научно-практических выводов. При ранениях головы, груди и живота необходима срочная эвакуация на этап квалифицированной хирургической помощи для срочного оперативного вмешательства. Лечение травматического шока должно начинаться на передовых позициях с максимально ранней компенсацией кровопотери. В комплексное лечение раненых необходимо включать физкультуру, физиотерапию и диетическое питание. Принципы военно-полевой хирургии, провозглашенные профессором С. Р. Миротворцевым, привели к тому, что более 70 % раненых, лечившихся в саратовских госпиталях, возвращались в строй и продолжали бить ненавистного врага. В октябре 1945 года был избран в действительные члены (академики) Академии медицинских наук СССР.
Родина высоко оценит заслуги Сергея Романовича. За вклад в годы Великой Отечественной войны, Миротворцев был награжден орденами Трудового Красного Знамени и Красной Звезды и трех медалей: "За доблестный труд в Великой Отечественной войне", "За оборону Сталинграда" и "За победу над Германией". Но самая главная награда старого доктора — тысячи спасенных жизней, которые будут жить и жить по возможности счастливо.
С. Р. Миротворцев разрабатывал вопросы коллатерального кровообращения, патологии и клиники сарком кишечника и костей, вопросы военно-полевой хирургии и др. Им был предложен способ пересадки мочеточников в прямую кишку. Исключительного внимания заслуживает опубликованная в 1956 г., уже после смерти С.Р. Миротворцева, книга «Страницы жизни». В ней содержится много ценных мыслей по деонтологии, о построении педагогического процесса в медицинских институтах, подготовке научных кадров и др. Так, С.Р. Миротворцев писал: "Лекция — это кульминационный пункт всего нашего преподавания. Надо, чтобы студент находил для себя интересным быть на лекции, и тогда — будет или не будет обязательная лекция — он всегда придет на нее."
Умер Сергей Романович 4 мая 1949 года и похоронен в Саратове на Воскресенском кладбище. (1-й участок).
Память
Мемориальная доска установлена на стене Городской клинической больницы № 1 в Саратове.
Имя С. Р. Миротворцева присвоено факультетской хирургической клинике мединститута (в клиническом городке), в которой учёный работал многие годы.
В Саратове 3-я городская клиническая больница теперь называется Клиническая больница имени С. Р. Миротворцева СГМУ. На территории больницы установлен памятник Миротворцеву С. Р.
В Саратове есть улица Миротворцева. В городе Серафимовиче также есть улица Миротворцева.
На могиле на Воскресенском кладбище (1-й участок) Саратова академику С. Р. Миротворцеву поставлен памятник.
Но скелету места нигде не нашлось, в комнатах, кладовых и леднике его боялись, Сергей пытался его высушить на колокольне церкви — получил гневную нотацию священника, а подвесив скелет на яблоню, утром Миротворцев обнаружил, что собаки обгрызли нижние конечности экспоната. В конце концов завернутый в мешок скелет украли в поезде, когда студент возвращался в Харьков.
Во время обучения Миротворцев демонстрировал выдающиеся успехи в учении. Однако участие в студенческих волнениях едва не перечеркнуло его будущую медицинскую карьеру: в 1899-м Сергея Миротворцева в числе прочих студентов-вольнодумцев исключили из учебного заведения. На год юноша уезжает в деревню, где работает фельдшером, а затем восстанавливается в университете, который и оканчивает в 1903 году со званием «лекарь с отличием»; его имя было занесено на мраморную доску университета. После этого ещё год он работает ординатором у профессора университета Орлова, а затем уезжает в Петербург и поступает сверхштатным ординатором в хирургическое отделение Обуховской больницы под руководством профессора А. А. Троянова. Жалованье ординатора захудалой больницы — 15 рублей в месяц, съем комнаты — 3.50, остальное на книги, инструменты, конку и проживание. В 1904 году в период временного пребывания в уездном городе Ахтырка Харьковской губернии, где в 1899—1907 годах его отец занимал должность директора Ахтырской мужской гимназии, выполнил совместно с уездным врачом В. И. Солодовниковым первую в своей практике уникальную на то время операцию кесарева сечения.