Летом 1900 года во время отпуска совершил свою первую экспедицию по северу России. Вместе с Б. М. Житковым исследовал устье Северной Двины, острова Колгуев и Новая Земля.

Летом 1902 г. совершил вторую поездку на Колгуев в компании агронома И. А. Шульги и студента-зоолога М. Н. Михайловского. Исследователи провели здесь два месяца. Была составлена карта острова и собраны коллекции горных пород, почв, растений и животных, сделано большое количество фотографий, проведены метеорологические наблюдения, взяты пробы воды и изучен быт местных жителей-самоедов.

В 1912 году за исследование Якутской области и некоторых районов севера Европейской России он был награждён золотой медалью им. Семёнова-Тян-Шанского.

В начале Первой мировой войны переправил большую часть своей орнитологической коллекции, архив, рукописи и научную библиотеку в село Усть-Урень Карсунского уезда Симбирской губернии к своим соседям по имению.

Во время революции крестьяне вскрыли ящики с книгами, документами и коллекциями Бутурлина. Были потеряны многие его рукописи, в том числе монография по птицам Якутии и подготовленный к печати полный определитель птиц России. После смерти учёного выяснилось, что значительная часть пропавшего архива и коллекций в 1918 году попала в Симбирский народный музей (Ульяновский областной краеведческий музей).

Половину своей орнитологической коллекции С. А. Бутурлин передал зоологическому музею МГУ, ещё 285 птиц — Ульяновскому краеведческому музею.