S. etablerte egen arkitektpraksis i Kristiania i 1869. Han var lærer i bygningslære ved Den kgl. Tegneskole 1873–84 og overlærer i ornamentlære samme sted 1884–1912; formann Foreningen til norske Fortidsminnesmerkers Bevaring 1899–1911, med lønn fra 1905. Han var konstituert riksantikvar fra 15. nov. 1912.
S. har først og fremst hatt betydning som arkitekturteoretiker og lærer i arkitektur og ved utforskning og bevaring av landets bygninger fra middelalderen. Hans virksomhet som arkitekt har vært forholdsvis begrenset. Enkelte kilder oppgir ham som arkitekt for Hamar domkirke (1863–66), som også tilskrives faren. Den er i tilfelle et usedvanlig tidlig og dyktig utført arbeid, tegnet mens han var ved farens kontor. Det er en langkirke oppført i pusset tegl med rundbuede åpninger for dører og vinduer. Interiøret hadde før ombygging en rikt utformet og noe uvanlig takstol hvor større og mindre sirkulære felter, innfelt mellom takbjelkene, utgjorde en vesentlig del av dekoren. Heftyevillaen på Frognerseteren (1865–66) er et uvanlig tidlig eksempel på nasjonalromantisk arkitektur i Norge. Den ble etter byggherren Ths. Heftyes ønske oppført etter modell av "det Thelemarkske Hus" som brukseier Niels Aall på Ulefos hadde latt oppføre på sin eiendom Kilen ved Kviteseidvannet i 1854, men med et noe mer høyreist sveitserstilspreg enn forbildet. S. fikk dette oppdraget til tross for sin unge alder, sannsynligvis fordi faren var opptatt med andre oppgaver. Hovedfasaden hadde opprinnelig åpen sval med fem buede åpninger i 1. etasje mens 2. etasje hadde sval med tre buede åpninger flankert av to karnapper. Bygningen stod upanelt de første årene, men de sinklaftede hjørnene tyder på at den var tenkt panelt fra begynnelsen av. Tegningene viser at svalgangenes buefelter var planlagt med utskårne bladranker etter romanske forbilder, men dette ble ikke utført. Innendørs var det planlagt, og trolig også utført, utskjæringer med karakter av klassisisme og nyrenessanse kombinert med romanske bladformer. Hotel Royal, Oslo (antagelig 1870-årene), var en større fireetasjes bygård med pussede fasader og nyklassisistiske detaljer. Bygningen dannet nordre fondvegg på Jernbanetorget og var et markant innslag i bybildet. Bergens Kreditbank (1876) er oppført i en behersket italiensk nyrenessanse med veggflater i upusset tegl og med omramminger og gesimser i huggen sandstein. Hovedinngangen er plassert ved nordenden av gatefasaden og markert med en smal siderisalitt og fremstikkende trapp.
Som elev av F.W. Schiertz hadde S. målt opp Borgund stavkirke allerede i 1861 og også drevet oppmålinger i Mariakirken i Bergen. Senere gjorde han omfattende studier i norsk middelalderarkitektur, men hans mange og omdiskuterte avhandlinger og artikler på dette området er etter hvert blitt lite aktuelle fordi han kom opp i uløselige stilhistoriske problemer ved å hevde at våre bevarte steinkirker fra middelalderen var de samme som var nevnt i sagaen og dermed de første bygninger på stedet. Nyere forskning er enig om at de er atskillig yngre. Hans interesse for bygningsarven har satt langt mer varige spor innen bygningsvernet. Som formann i Foreningen til norske Fortidsminnesmerkers Bevaring la han grunnlaget for det arbeidet som fremdeles pågår. Han var en viktig konsulent ved oppbyggingen av distrikts-friluftsmuseene De Sandvigske samlinger, Lillehammer og De Heibergske samlinger, Ambla i Sogn hvor han bl.a. var en foregangsmann for bevaring av hele gårdsmiljøer. For øvrig mente han at bygninger bare skulle flyttes til museum hvis det var umulig å bevare dem på stedet. Han kom inn i Foreningen til norske Fortidsminnesmerkers Bevarings styre med sterk støtte fra Yngre Arkitektforening som han hadde stiftet i 1891, og åpnet for arkitektenes store innsats i foreningens vernearbeid i en lang periode fremover. S.' interesse for og kunnskaper om den norske bygningsarven fikk også gjennom hans lærergjerning stor betydning for norsk arkitektur i en lengre periode rundt århundreskiftet. Han hadde dessuten en egen evne til å samle de unge rundt seg og sine ideer. I årene 1895–1904 og 1909–12 tok han sine arkitekturstudenter med på studiereiser for å måle opp kirker og gårdsbebyggelse, hovedsakelig i Gudbrandsdalen og Numedal. Han ønsket at de skulle skape en ny nasjonal arkitektur, ikke gjennom åndløs kopiering, men ved kombinering med det nye og gode i arkitekturen utenfra. Når studentene etter hvert måtte utenlands for å fullføre utdannelsen, sendte han dem i 1890-årene til England bl.a. for å studere normannisk arkitektur, som han mente var en videreutvikling av vikingenes trearkitektur. Dette førte til en sterk innflytelse fra engelsk samtidsarkitektur, og i kirkearkitekturen fikk vi en såkalt normannisk stil som bestod av engelsk samtidig nygotikk utformet under innflytelse av amerikaneren Henry Richardson, hos oss med runde "normanniske" buer i stedet for forbildenes spissbuer. Det første eksemplet var Holger Sinding-Larsens Vålerengen kirke i Oslo (1902). Ved århundreskiftet anbefalte S. en kortere periode København som studiested inntil fremveksten av den nye svenske nasjonalromantikken gjorde Stockholm til utgangspunkt for en ny nasjonal arkitektur også i Norge. Den nasjonale nyorienteringen på grunnlag av svensk arkitektur ca. 1907–20 skyldes i stor grad S.' bestrebelser.
S. var en usedvanlig flittig skribent på en rekke områder, f.eks. bygningsadministrasjon og jernbaneutbygging. Han hadde et følsomt sinn, men var samtidig stridbar og hadde vanskeligheter med å underordne seg andres avgjørelser. I 1898 var han oppsagt fra Tegnskolen fordi han drev arkitekturundervisning på et høyere nivå enn skolens ledelse hadde bestemt. Han trakk seg som formann i Foreningen til norske Fortidsminnesmerkers Bevaring i 1911 etter strid med direksjonen om utformingen av riksantikvarstillingen. Den ble riktignok opprettet slik direksjonen hadde ønsket og med den aldrende S. som riksantikvar.
