Торжественное открытие Сестрорецкого курорта состоялось 20 июня 1900 года. Два специальных поезда по новой Приморской дороге доставили из Санкт-Петербурга многочисленных гостей. Среди них были министр земледелия и государственных имуществ А.С. Ермолов, губернатор Санкт-Петербурга С.А. Толь, командир Кронштадтского порта вице-адмирал С.О. Макаров. В концертном зале были совершены молебен и освящение зданий курзала, лечебницы и пансионата. Перед поднятием флага над курзалом вице-адмирал С.О. Макаров произнес краткую речь, пожелав новому учреждению прекрасного будущего. При этом он отметил большое значение лечебного курорта и особую заслугу в его создании Петра Авенариуса.

Бурением скважин на территории курорта руководил один из соратников П.А. Авенариуса – горный инженер С.Г. Войслав. Когда из первой скважины глубиной 30 метров ударил фонтан питьевой воды, Войслав очень расстроился: по его расчетам скважина должна была дать минеральную воду, однако была самой обычной. Но уже вторая скважина глубиной 147 метров, пробуренная в 1901 году, дала минеральную воду кембрийского горизонта. Однако по-прежнему в Сестрорецком курорте медики в лечебных целях использовали воды, доставляемые из Европы, или же делали искусственные растворы, разводя соль в сестрорецкой минеральной воде. Водой из своего минерального источника наполняли плавательный бассейн. Также собственную минеральную воду использовали для процедур.

В 1904 году построили «морскую санаторию» – двухэтажное здание на 38 комнат на берегу Финского залива. Единственный из нескольких проектов, увеличивавших вместимость курорта, разработанных до 1917 года, который удалось воплотить в жизнь.

Известный в России врач-биохимик Д.М. Цвет провел в своей лаборатории исследования сестрорецких грязей, обнаруженных вблизи курорта, и подтвердил их целебность. Однако грязь для процедур привозили из-за границы. Петербургская публика не верила в целебность даров местной природы. Отношение к ним изменилось, когда на Всемирной выставке здравоохранения в бельгийском курортном городе Спа Сестрорецкому курорту был присужден Гран-При. Это была победа П.А. Авенариуса и его единомышленников. Курорт занял ведущее место среди северных здравниц России. 

Первым директором санатория, принявшим пациентов после 1917 года, был назначен талантливый врач-организатор П.И. Тимофеевский. Тогда же научным руководителем курорта стал профессор В.М. Бехтерев. В 1918 году Совет народных комиссаров передал санаторий в ведение детских приютов, но под угрозой наступления белогвардейцев имущество эвакуировали в Детское Село. 

В 1919 году нарком здравоохранения Н.А. Семашко включил Сестрорецкий курорт в число «лечебных местностей государственного значения I категории». В апреле 1920 года президиум исполкома Петрогубсовета решил реэвакуировать и восстановить санаторий. В результате осенью 1921 года курорт принял первых 154 больных: рабочих и солдат-инвалидов гражданской войны. Одновременно открылась грязелечебница, где использовалась местная целебная иловая грязь. 

С 1922 года в курзале заработали столовая для отдыхающих, бильярдная, карточные и курительные комнаты. В помещениях ресторана разместились палаты для проживания. И все равно мест не хватало. Санаторию передали конфискованные дачи за пределами парка.

В 1923 году по приказу наркомздрава Н.А. Семашко курортная система страны была реорганизована. Сестрорецкий курорт по профилю оздоровления был определен как кардиологический. 

В 1924 году в санатории частично восстановили отделение физиотерапии и расширили лабораторию. В лечении широко применялась механотерапия, работали зубоврачебный кабинет и рентген-кабинет, перевязочная, аптека, поликлиника. Только за три месяца 1924 года санаторий принял 1 435 пациентов. В это же время впервые в «Сестрорецком курорте» был организован ученый совет, который проводил научные совещания с участием профессоров-консультантов. Пациентам санатория, а также жителям Сестрорецка, врачи читали лекции по основам медицины и гигиены.

В 1930-е годы курорт был очень популярен у советских граждан и был признан одной из ведущих здравниц на Северо-Западе страны. Согласно планам правительства СССР, Сестрорецкий курорт должен был стать крупнейшим курортом в мире. Его вместимость планировалось довести до 3 500 человек, но воплотить в жизнь этот замысел не удалось, так как курорт находился практически на государственной границе с Финляндией. В 1937 году санаторий передали в военное ведомство.

30 ноября 1939 года, с началом советско-финской войны, в зданиях курорта был срочно организован фронтовой эвакогоспиталь на 1 100 коек, который работал до весны 1940 года. Во время Великой Отечественной войны госпиталь пришлось эвакуировать.

В годы Великой Отечественной войны санаторий очень серьезно пострадал. Только в августе 1954 года – после капитального ремонта – начал полностью функционировать лечебный корпус. Больных консультировали ученые А.Н. Парфенов, В.Г. Барабанов, К.А. Дрягин. Вводились новые лечебные методики, увеличивался объем диагностических исследований.
В 1958 году был открыт фотарий и развернуто бальнеологическое отделение: субаквальные, жемчужные и кислородные ванны.
В 1960 году постановлением Совета Министров СССР все здравницы страны, за исключением специальных (туберкулезных и др.), были на безвозмездной основе переданы профсоюзам.

В 1963–1964 гг. приняли первых пациентов два новых корпуса, вмещавшие по 317 человек.
В 1969 году введена в строй новая грязелечебница.

В 1978 году введен 10-этажный корпус на более чем 500 мест. В здании разместились столовая, конференц- и концертный залы, библиотека.

В декабре 2001 года после капитального ремонта открылся единственный в Санкт-Петербурге плавательный бассейн с минеральной водой. Бассейн был оборудован гидромассажем, душем «каскад», гейзерами. 

Позднее в бассейне были установлены кедровые бочки и инфракрасные сауны. 

С 2008 года санаторий является регулярным победителем и призером профессионального Всероссийского форума «Здравница».
В этом году «Сестрорецкому курорту» была присуждена золотая медаль в номинации «Лучшая бальнеолечебница».

В 2009 году санаторий завоевывает золотую медаль форума в номинации «Лучшие технологии лечебно-профилактического применения лечебных грязей».

Началась реализация новой стратегии курорта. Взят курс на обновление материально-технической, медицинской базы учреждения, развитие клиентской политики и сервиса.

В 2016 году «Сестрорецкому курорту» на форуме «Здравница» присуждена золотая медаль в номинации «Лучшие технологии лечебно-профилактического применения лечебных грязей».