Nach neun Jahren Privatunterricht begann sie 1869 als erste Frau ein Medizinstudium an der Universität Zürich, das sie 1873 mit dem Staatsexamen abschloß. Der Abschluß war unverbindlich und erhielt erst nachträglich durch einen Konkordatsbeschluß rechtliche Gültigkeit. In der Zwischenzeit studierte sie in Leipzig und arbeitete in Dresden als Assistentin, wo sie auch ihre Dissertation schrieb. Nach der Promotion 1874 in Zürich eröffnete sie in der Stadt eine Praxis als Frauenärztin. Sie war die erste diplomierte Ärztin der Schweiz, die erste Frau mit medizinischem Doktortitel und die erste Frauenärztin Europas. Heim-Vögtlin war vor allem als Frauen- und Kinderärztin sowie als Geburtshelferin tätig. 1901 war sie in Zürich Mitbegründerin eines Frauenspitals mit Pflegerinnenschule, in dem nur Ärztinnen arbeiteten und in dem sie sich vor allem der Kinderabteilung annahm. Sie veröffentlichte zahlreiche Beiträge und Bücher vor allem auf dem Gebiet der Kinderhygiene und Kindererziehung.