В 1890 г. С. И. Соболевский стал приват-доцентом по кафедре классической филологии, в 1892 г. был назначен сверхштатным экстраординарным профессором, в 1896 - штатным экстраординарным, в 1899 - ординарным профессором. 11 (24) мая 1915 г. С. И. Соболевский получил звание заслуженного ординарного профессора и занимал эту должность вплоть до закрытия историко-филологического факультета в 1921 г.
Осенью 1934 г. С. И. Соболевский после двенадцатилетнего перерыва вернулся на кафедру классической филологии в должности профессора Московского института философии, литературы и истории по обоим древним языкам, став вместе с М. М. Покровским одним из основателей кафедры в ее реорганизованном виде; преподавательской работы в институте С. И. Соболевский не прекращал даже в начале войны. Параллельно - в том же 1934 г. - С. И. Соболевский был вновь назначен профессором Московского университета, но уже по историческому факультету .и оставался в этой должности до 1941 г. Наконец в январе 1942 г. С. И. Соболевский вновь стал профессором кафедры классической филологии Московского университета. В 1928 г. С. И. Соболевский был избран членом-корреспондентом Академии Наук СССР по отделению гуманитарных наук.
Помимо Московского университета, он преподавал и в других высших учебных заведениях: с 1907 г. состоял профессором греческой палеографии в Московском археологическом институте, а с 1909 г. преподавал греческий язык в Московской духовной академии. После 1921 г., когда С. И. Соболевский лишился работы по специальности, он был вынужден работать в научно-исследовательском Институте истории, литературы и языка (с 1922 до февраля 1931 г., в должности действительного члена), а в 1924-1928 гг. - преподавать древние языки в литературной студии при Всероссийском союзе поэтов и на Московских курсах профессионального образования. С осени 1937 г. С. И. Соболевский работал в Институте мировой литературы им. М. Горького, где с 1948 г. заведовал сектором античной литературы. В то же время он состоял профессором древних языков в Московском городском педагогическом институте (с осени 1941 до 1951 г.) и в 1944 г. был назначен старшим научным сотрудником сектора классической филологии при Институте языка и мышления им. Н. Я. Марра; некоторое время С. И. Соболевский работал также в Государственной академии художественных наук.
Мировой науке Соболевский известен прежде всего как автор капитальных исследований языка Аристофана. Этому предмету посвящены обе его диссертации: магистерская, защищенная в 1890 г., и докторская, успешно защищенная в 1892 г. К сожалению, итоги многолетних исследований текста Аристофана остались не обобщенными С. И. Соболевским: монография «Аристофан и его время» (М., 1957; переизд. 2001) представляет собой научно-популярную книгу общеобразовательного характера, созданную по долгу службы в Институте мировой литературы, в то время как главные работы ученого, касавшиеся текста Аристофана, остались незавершенными.
Для Православной Энциклопедии С. И. Соболевский написал статью о койне Нового Завета, ставшую одной из классических работ по этому вопросу и уже через год переведенную на греческий язык. Велик вклад С. И. Соболевского в изучение греческой палеографии и текстологии. например, в соавторстве с петербургским профессором Григорием Филимоновичем Церетели (1870-1939) он издал сборник образцов греческого минускульного письма. Возглавляя сектор античной литературы в Институте мировой литературы, С. И. Соболевский редактировал изданные этим академическим институтом трехтомную «Историю греческой литературы» и двухтомную «Историю римской литературы». Перу С. И. Соболевского принадлежат свыше ста печатных трудов.
Кроме того, он перевел на русский язык «Сократические сочинения» Ксенофонта (1935 г.) и речи Лисия (1933 г.), «Панегирик» Исократа и «Басни» Эзопа (оба перевода в кн. «Греческая литература в избранных переводах». Составил В. О. Нилендер. М., 1939), фрагменты Эпикура, несколько Кроме того, он перевел на русский язык «Сократические сочинения» Ксенофонта (1935 г.) и речи Лисия (1933 г.), «Панегирик» Исократа и «Басни» Эзопа (оба перевода в кн. «Греческая литература в избранных переводах». Составил В. О. Нилендер. М., 1939), фрагменты Эпикура, несколько «Сравнительных жизнеописаний» Плутарха.
Чрезвычайно важным делом было после восстановления преподавания классических языков написание новых научных пособий и учебников. С. И. Соболевский издал в 1938 г. «Грамматику латинского языка», в 1938 и 1947 гг. - две части обширной «Хрестоматии», в 1953 - сокращенный «Учебник латинского языка», а в 1948 - «Древнегреческий язык: Учебник для высших учебных заведений». Грамматики Соболевского читаются и переиздаются до сих пор.
М. М. Покровскому принадлежит заслуга организации издания для учебных целей избранных римских авторов с краткими комментариями. Это был редкий после 1917 г. опыт издания классических текстов, долгое время не имевший продолжения; некоторые из книг названной серии, например комментированные С. И. Соболевским «Записки о галльской войне» Цезаря, имеют не только учебное, но и научное значение.
В 1954 г. вышло издание комедии Теренция «Адельфы» с русским переводом Алексея Владимировича Артюшкова под редакцией М. М. Покровского, введение и комментарии к которому написаны С. И. Соболевским. Ученый планировал издать таким же образом комедию Аристофана «Плутос», однако труд остался неоконченным.
Не увидел свет и труд всей жизни С. И. Соболевского - «Пространная грамматика древнегреческого языка» (1942-1946, 1953 и след.; рукопись не окончена).
