Sauerbruch studierte von 1895 bis 1902 in Marburg, Jena und Leipzig Medizin. Nach seiner Promotion wirkte er als Arzt in Kassel, Erfurt und Berlin, später in Breslau. 1904 konstruierte er die Unterdruckkammer. Ab 1905 wirkte er in Greifswald und Marburg und wurde 1910 Ordinarius für Chirurgie in Zürich. Er beschäftigte sich vor allem mit der Lungentuberkulose. Unter dem Eindruck der Verwundungen von Soldaten im Ersten Weltkrieg entwickelte er die "Sauerbruchhand", eine Prothese mit beweglichen Fingern, sowie Beinprothesen. Ab 1918 lehrte Sauerbruch in München. 1927 übernahm er den Lehrstuhl für Chirurgie an der Berliner Charité, den er bis 1949 innehatte. Nach dem Zweiten Weltkrieg war er kurze Zeit Gesundheitsstadtrat in Berlin. Sauerbruch wurde auf dem landeseigenen Friedhof Wannsee, Lindenstraße 1-2, beigesetzt.