Az újjáéledni látszó alkotmányos időszakban, 1860–61-ben élénken bekapcsolódott a helyi közéletbe, ahogyan a magyar ifjúság számos tagja tette. Cikkeket írt kolozsvári lapok számára, s részt vett az alkotmányos jogélet átmeneti visszatérése alatt kiküldött ideiglenes megyei bizottmányban is. 1862 és 1865 között a pesti tudományegyetemen tanult. 1865-ben tett bírói vizsgát, majd még az évben Lövészy György pesti ügyvéd irodájában kezdett dolgozni.

1867. február 20-án Dósa Elek javaslatára az erdélyi főkonzisztórium kinevezte a kolozsvári református kollégium helyettes tanárává, majd doktorrá avatása után, júliusban rendes tanárrá lépett elő. 1870-ben a pesti tudományegyetem magántanára lett, de még abban az évben báró Eötvös József közoktatásügyi miniszter kinevezte a kolozsvári jogakadémia magán- és közjog, illetve jogbölcseleti tanszékére rendkívüli tanárnak is. 1871-ben habilitált és vált rendes egyetemi tanárrá.

Az 1872-ben felállított Magyar Királyi Kolozsvári Tudományegyetemre az uralkodó az év szeptember 29-én nevezte ki a magyar magánjog és bányajog nyilvános rendes tanárává, 1876-ban a protestáns egyházjog professzorává is. Mint ilyen, a legelső kolozsvári professzorok közé tartozott. Pályafutása alatt négyszer volt a Jog- és Államtudományi Kar dékánja (az 1876/77., 1885/86., 1898/99., 1908/09. tanévekben), az 1888/89. akadémiai évben pedig az egyetem rektorává választották, ennek megfelelően a következő évben a prorektori címet viselte. 1892. május 5-én lett a Magyar Tudományos Akadémia levelező tagja. A jogász és pénzügyi szakember, Hegedűs Sándor írta számára az ajánlást, rámutatva, hogy Kolosváry Sándor méltó az akadémiai tagságra.

Oktatóként az alábbi témákban hirdetett kurzusokat: Magyar és erdélyi magánjog; Adományrendszer, tekintettel a történelmi kifejlődésre; Az úrbéri és ezzel rokontermészetű viszonyoknak legújabb rendezése; A jogi személyekről; Protestáns egyházjog, különös tekintettel a magyar és az erdélyi protestáns egyházakra; Magyar bányajog (kirándulásokkal ércz- és kőszén-bányákhoz); Gyakorlatok az öröklési jog köréből; Polgári házassági jog.

Összesen 38 évig volt Kolozsvárott egyetemi tanár. Hetvenévesen, 1910. május 3-án vonult nyugalomba: ekkor I. Ferenc József – az egyetem névadója – magyar királyi udvari tanácsosi címmel tüntette ki az oktatás terén szerzett érdemei elismeréséül. Tudománytörténeti érdekesség, hogy helyét a katedrán fia, Kolosváry Bálint vette át. Egy 1909-ben elmondott beszédében a következőképpen foglalta össze ex libris gyanánt pályafutásának önértékelését: „férfikoromnak kezdetén pedig részemre jutott a szerencse, hogy az új Erdély részi egyetem legelső munkásainak sorába állítva, agg korom bekövetkezéséig élő krónikása lehessek olyan, a mai nemzedék előtt ismeretlen mozzanatoknak, melyeknek tán nem szabad a múlandóság és feledékenység homályában maradniuk”.

Egész életében aktív felekezeti tevékenységet folytatott a református egyházban, az egyházi törvények kodifikációjában is részt vett, illetve rendszeresen publikált az Erdélyi Protestáns Közlönyben. Több évig az erdélyi református egyház főkonzisztóriumának volt a titkára, az átalakítások után az igazgatótanács tagjává vált. 1900-ban az erdélyi református egyházkerület értekezletén világi alelnöknek választották meg, előtte a kolozsvári egyházmegye algondnoki, majd főgondnoki tisztségét is betöltötte, valamint az erdélyi református házassági törvényszék bírája volt. Az egyházkerületét ő képviselte az öt hazai egyházkerületet egyesítő, s ezáltal 1881-ben a Magyarországi Református Egyházat megalapító debreceni alkotmányozó zsinaton, 1896-ig tagja volt a közös ügyeket intéző és döntéshozó konventjének is. Az erdélyi Református Házassági és Főtörvényszéken mint bíró gyakorlati ítélkező tevékenységet is ellátott.

Kolosváry Sándor tudósi pályája legfontosabb részében Óvári Kelemen (szintén kolozsvári) jogtörténésszel működött együtt, s így készítették el a Tripartitum (Werbőczy István Hármaskönyve) újabb, „millenniumi” magyar fordítását, valamint a Corpus Juris Hungarici teljes kiadását és újabb rendszerezését. A Hármaskönyv fordítása során felhasználták az összes korábbi fordításokat, azonban a munkájuk alapja az 1517. évi kiadás maradt. A Corpus Juris Hungaricin végzett munkálatokban a szöveggondozási és fordítási tevékenységük az 1301-től 1656-ig terjedő törvényeinkre és dekrétumainkra esett. A fordítók összehasonlították minden egyes dekrétum addig ismert latin szövegét az eredetinek tekintett szövegváltozattal, hogy kijavítsák a szöveghibákat, amelyeket a Corpus Juris addigi kiadásai tartalmaztak. Mindezeken túl munkásságuk másik legfontosabb eredménye az erdélyi törvénygyűjtemények magyarra fordítása (Approbata, Compilatae, Articuli Novellares), amelyek az 1540 és 1848 közötti időszakot ölelték fel három kötetben, szintén annotáló szövegekkel ellátva.

Fő művének/művüknek mégis a Corpus Statutorumot tekintik, amely a vármegyei és városi rendeleti jog összegyűjtésének hozadéka volt, negyedszázadnyi kutatómunka eredményeként. A Magyar Tudományos Akadémia Magyarországi jogtörténeti emlékek – A magyar törvényhatóságok jogszabályainak gyűjteménye címmel adta ki 1885 és 1904 között nyolc könyvben. Ebben az aprólékos, országos kutatásban egyik fia, Kolosváry Bálint is részt vett.

Ugyancsak kiemelkedő Az erdélyi evangéliumi református egyházkerület egyházjoga című, 1875-ben publikált műve, valamint azon további munkái, amelyeket a református egyházjog összegyűjtése, rendszerezése és revíziója végett készített. A Helyzet-változások a vallásszabadság és felekezetnélküliség tekintetéből című beszéde és írása időben egybeesett az 1890-es évek hazai egyházpolitikai vitáinak időszakával.

„Mintha ma történnék, úgy áll előttem az a fölemelő pillanat, amidőn 29-en, ifjabbak és öregebbek életkorra, mily meghatottsággal álltunk sorba, 1872. okt. 19-én a líceum másod[ik] emeleti hátsó szárnyában volt díszteremben, hogy esküt tegyünk elhívatásunk betöltésére. Úgy jön, mintha ma is látnám az arcokat. Ahány, annyi kifejezés; de mégis bizonyos szellemi harmóniában és egységben összeolvadó. Az összhangzás alapvonalait, nem annyira az állásnyerés sablonos öröm-érzete, mint inkább az aggodalom és töprengés adta meg. A föladatot tekintve, hogy az új intézetnek tudunk-e olyan szellemi alapkövet vetni, melyre az utánunk jövő nemzedékek is tovább építhessenek? A tudományos működésnek és a minden szakban fejlesztő haladásnak tudunk-e oly irányt jelölni, hogy abból se bábeli zavar ne támadjon, se pedig azt társadalmi forradalmak és kétes értékű bölcseleti evolúciók félre ne fordíthassák? Tanulva, vizsgálva és tanítva képesek leszünk-e az egymást váltó ifjú generációk lelkében tudásvágyat ébreszteni, jellemszilárdságot alapozni” – e gondolatok, amelyeket Visszaemlékezések című, 1909. évi művében fogalmazott meg, hűen tükrözik, miként tekintett élethivatására, hazája szolgálatára.

Sorsszerűen akkor távozott az élők sorából, amikor az általa ismert Magyarország is történelemmé lett. Az első világháborút követően ugyanis a Ferenc József Tudományegyetem 1919 elején elhagyni kényszerült székhelyét; előbb Budapestre, majd Szegedre került, de Kolosváry Sándor oda már nem követte. Éppen azokban a hetekben, amikor az egyetem megkezdte működését Szegeden, 1921 októberében, életének utolsó évében telepítették ki kolozsvári lakásából, így az idős professzor onnan mégis menekülni kényszerült. Végül Budapesten, 1922. augusztus 7-én, 83 éves korában hunyt el, fiai: Kolosváry Bálint magánjogász egyetemi tanár és Kolosváry Sándor egészségügyi főfelügyelő gyászolták. Búcsúztatásán a Magyar Tudományos Akadémia nevében Fejérpataky László, a Magyar Nemzeti Múzeum igazgatója, tanítványai és professzortársai nevében Finkey Ferenc büntetőjogász mondott gyászbeszédet.

Mindazonáltal az akadémián csupán 1929-ben tartottak felette emlékbeszédet. Ekkor Illés József stílszerűen a Kovachich testvérekhez hasonlítva őt, többek között e szavakkal méltatta tudósi nagyságát: „Kolosváry Sándor említett nagy elődeinek példaadása nyomán egész életén át ezt a hangyaszorgalmú, rendkívüli kitartást és fegyelmezettséget kívánó tudományos munkát folytatta. A jogtörténésznek jó diplomatikusnak, sőt paleografusnak is kell lennie, amellett, hogy a középkori latin jogi nyelvünk felett is uralkodnia kell. Fel kell készülve lennie a középkori igazságszolgáltatás, közigazgatás minden sajátosságainak a megismeréséhez. Nemcsak másolni kell a bírói leveleket és statútumokat, hanem érteni is és megmagyarázni tudni. És mindenek felett nagy szeretettel kell fordulni az elmúlt élet igen sokak előtt már érdektelen jogi régiségei felé.”

1934 májusában a szegedi Jog- és Államtudományi Kar dékáni szobájában két márványszobrot avattak néhai tanáraik: Farkas Lajos római jogász és Kolosváry Sándor emlékére. Az eseményen két akkori professzor, Heller Erik dékán és Menyhárth Gáspár szóltak neves elődeikről.