Son entrée à l'école médicale viennoise est à ce moment muée plus par la soif de savoir que celle de guérir. Ce qui l'intéresse : les relations humaines. En 1876, il entre au laboratoire de Ernst Wilhelm Brücke où il entame une prometteuse carrière en anatomo-physiologie du système nerveux. Diplômé de médecine en 1881, il fait la connaissance de Martha Bernays qui deviendra sa femme le 14 septembre 1886 et qui lui donnera trois enfants. Pressé de fonder une famille, Freud a besoin d'argent ; il quitte les sombres laboratoires de la recherche théorique pour entrer dans le service psychiatrique du professeur Theodor Meynert où il étudie et pratique la neurologie. En 1885, à l'occasion d'une étude sur la cocaïne, il met en évidence ses propriétés analgésiques et publie "Uber coca", un ouvrage louant les vertus de la substance mais qui lui sera plus tard reproché par le corps médical viennois.

L'année 1885 marque par ailleurs une étape décisive dans la vie de Sigmund Freud. Ayant obtenu une bourse, il se voit ainsi offrir la possibilité de partir pour Paris, en stage auprès du neurologue français Jean Charcot dont il a plus d'une fois entendu parler. Freud est déçu par la ville et ses habitants, mais tombe sous le charme du maître qu'il décrit en ces termes à sa fiancée : "Charcot, un des plus grands médecins et dont la raison confine au génie, est en train de démolir mes conceptions et mes desseins. La graine produira-t-elle son fruit, je l'ignore ; mais que personne n'a jamais eu autant d'influence sur moi, de cela je suis sûr." 

A l'hôpital de la Salpêtrière, Freud observe donc les manifestations de l'hystérie, les effets de l'hypnotisme et la suggestion. Il propose à Charcot de traduire certains de ses ouvrages en allemand : "Leçons sur les maladies du système nerveux" est publié en 1886. Quittant la capitale française, Freud effectue un bref séjour à Berlin où il s'intéresse à la neuropathologie infantile puis retourne à Vienne. Là, il ouvre son propre cabinet de consultation et reçoit beaucoup de "nerveux" qu'il traite par électrothérapie et hypnose comme c'est le cas à l'époque. Pourtant, Freud est à la recherche de nouveaux moyens thérapeutiques ; en 1889, il se rend à Nancy étudier les méthodes du professeur Hippolyte Bernheim. Pour ce dernier, l'hypnotisme n'existe pas réellement : il n'y a que des phénomènes de suggestion. Pendant dix ans, Freud va se consacrer entièrement au traitement des malades et créer jour après jour la psychanalyse. Le cas d'Anna O., relaté par Joseph Breuer dans "Etudes sur l'hystérie", est traditionnellement reconnu comme le premier pas vers la théorie freudienne. Les deux médecins, qui se connaissent de longue date, sont amenés à se pencher sur les symptômes d'hystérie présentés par cette jeune femme. Au fur et à mesure des consultations, Freud met en évidence l'origine des manifestations : pour lui,  "l'accès hystérique est un souvenir, la revivification hallucinatoire d'une scène ayant joué un rôle important dans la maladie". 

Entre 1887 et 1902, il travaille à élucider les mécanismes du refoulement et la formation des symptômes, découvre l'Œdipe (1897) et rédige "l'Interprétation des rêves" (1900) qui fait pour la première fois du rêve un objet d'étude scientifique. En 1905, il publie "Trois essais sur la théorie de la sexualité", second ouvrage capital avec "le Mot d'esprit dans ses rapports avec l'Inconscient". La psychanalyse est devenue la théorie du fonctionnement de l'appareil psychique. Et cette théorie fait des émules… Sous la forme de la Société psychologique du mercredi d'abord, institution analytique créée en 1902 qui regroupe les premiers disciples de Freud comme Paul Federn et Carl Gustav Jung, puis sous celle de la Société psychanalytique de Vienne (1908). Entre 1910 et 1930, Freud fait publier un certain nombre d'ouvrages. Parmi eux, "Totem et tabou" (1913) qui lui permet d'introduire la notion de "narcissisme" à travers l'histoire des origines de l'humanité. En 1920, c'est "Au-delà du principe de Plaisir" ; Freud y expose ce qu'il désigne comme les pulsions de vie et de mort et soumet le modèle de l'appareil psychique faisant intervenir le Moi, le Ça et le Surmoi. Enfin, appliquant les théories psychanalytiques aux civilisations, il dénonce, d'abord dans "L'avenir d'une illusion" (1927) puis dans "Malaise d'une civilisation" (1929), le poids que la religion et la morale civilisée imposent à l'enfant.

En 1930, Freud reçoit le prix Goethe et ainsi la reconnaissance de l'Allemagne. Mais Hitler se profile à l'horizon et quatre ans plus tard, les nazis brûlent ses livres à Berlin. Freud est alors contraint à l'exil. Il quitte Vienne en 1938 pour s'installer en Angleterre où il continue à traiter de rares patients. Opéré une première fois en 1923 pour un début de cancer à la mâchoire, Freud souffrira tant de la progression du mal que le 21 septembre 1939, il demande à son médecin d'abréger son calvaire. Deux centigrammes de morphine le plongent dans le coma. La mort surviendra deux jours plus tard.