Jako student był pod wpływem prac anatoma i embriologa Wilhelma Hisa (1831–1903), a także psychologa Wilhelma Wundta (1832–1920).

Po śmierci dziadka dalsza edukacja Sauerbrucha była utrudniona, dlatego pracował jako wolontariusz najpierw w Turyngii, a potem w Kassel jako lekarz w szpitalu diecezjalnym (Diakonissenkrankenhaus). Tam skonfliktował się z matką przełożoną i od października 1901 pracował już w Erfurcie w tamtejszym Stadtkrankenhaus. W 1902 roku został pierwszym asystentem i zainteresował się chirurgią. W 1903 roku opuścił Erfurt i na krótko przeniósł się do Berlina, gdzie praktykował w instytucie patologiczno-anatomicznym Roberta Langerhansa (1859–1904) w Krankenhaus Berlin-Moabit. Dzięki protekcji ojca przyjaciela od 1 października 1903 roku pracował jako wolontariusz w klinice Jana Mikulicza-Radeckiego we Wrocławiu.

W 1904 roku skonstruował komorę niskich ciśnień, którą wykorzystywano do operacji otwartej klatki piersiowej. Z czasem standardem w chirurgii klatki piersiowej stało się operowanie w nadciśnieniu, a nie podciśnieniu, wprowadzone przez Ludolfa Brauera w tym samym czasie.

Habilitował się 8 czerwca 1905 roku, na kilka dni przed śmiercią Mikulicza. 3 stycznia 1908 roku poślubił Adę Schulz, córkę farmaceuty.