着书的过程并非一帆风顺，最大的难题是如何将零散的案例与前人的理论融会贯通，形成一套系统的诊疗体系。起初，张仲景只是将搜集到的案例按症状分类，如“发热类”“腹痛类”“呕吐类”等，每个案例后附上诊疗方法与药方。可这样整理下来，他发现同一症状可能由不同病因引起，不同症状也可能是同一病症的不同阶段，单纯按症状分类，难以体现病症的演变规律，医者使用时仍会无所适从。
有一次，他翻阅《黄帝内经·素问》，看到“伤寒一日，巨阳受之，故头项痛，腰脊强；二日阳明受之，阳明主肉，其脉侠鼻，络于目，故身热，目疼而鼻干，不得卧也；三日少阳受之，少阳主胆，其脉循胁络于耳，故胸胁痛而耳聋……”一段文字，深受启发。他想，伤寒之病，是邪气从表入里、由浅入深的过程，若按病程发展与病邪所在部位分类，或许能找到其中的规律。
于是，他重新梳理案例，将伤寒病症分为太阳、阳明、少阳、太阴、少阴、厥阴六个阶段，即“六经辨证”。太阳病为伤寒初期，病邪在表，症状以恶寒、发热、头项痛、脉浮为主；阳明病为病邪入里化热，症状以高热、汗出、口渴、脉洪大为主；少阳病为病邪在半表半里，症状以寒热往来、胸胁苦满、口苦、咽干为主；太阴病为病邪深入脾胃，症状以腹满而吐、食不下、自利、脉缓为主；少阴病为病邪损伤心肾阳气，症状以畏寒肢冷、精神萎靡、脉微细为主；厥阴病为伤寒后期，病情复杂，症状以寒热错杂、厥逆、腹痛为主。
为了验证这一分类体系的准确性，张仲景常常将书中的理论与临床实践相结合。每当有患者前来就诊，他都先根据六经辨证判断患者所属的病症阶段，再开出相应的药方，然后记录下治疗效果，若效果不佳，便分析原因，调整分类或诊疗方案。有一位患者恶寒发热、无汗、头痛，张仲景判断为太阳伤寒症，投麻黄汤治疗，患者服药后汗出，症状缓解。可没过几日，患者又前来复诊，说出现了发热、口渴、汗出的症状，张仲景再次诊脉，发现脉象洪大，判断患者已转为阳明经证，遂改用白虎汤，患者服药后痊愈。这一案例让他更加确信，六经辨证能够准确反映伤寒病症的演变过程。
在搭建诊疗体系的同时，张仲景还对搜集到的民间方剂进行了整理与优化。他发现民间方剂虽有疗效，但往往用量随意、配伍简单，难以适应复杂的病症。于是，他结合自己的临床经验与前人的药理理论，对这些方剂进行调整，明确药材用量、炮制方法与服用禁忌。例如，民间常用麻黄、桂枝治疗风寒感冒，但用量不一，有的用三钱，有的用五钱，疗效差异很大。张仲景通过多次试验，确定麻黄三钱、桂枝二钱为最佳用量，既能达到发汗解表的效果，又不会因药力过强损伤正气，这便是麻黄汤的由来。
对于前人留下的方剂，他也并非全盘照搬，而是根据实际情况进行改良。《神农本草经》中记载桂枝能“温通经脉，助阳化气”，张仲景在临床实践中发现，桂枝与芍药配伍，既能解表散寒，又能调和营卫，于是在桂枝汤中加入芍药，用于治疗太阳中风证（发热、汗出、恶风、脉浮缓），疗效显着。他还创造性地将多种药材配伍使用，形成了许多新的方剂，如治疗少阳病的小柴胡汤、治疗阳明腑实症的大承气汤、治疗少阴寒化证的四逆汤等，这些方剂后来都成为中医临床的经典方剂。
着书期间，南阳地区又爆发了一次小规模的疫病，张仲景不顾身体劳累，再次投身到诊疗工作中。他将书中的理论应用于临床，用六经辨证指导诊疗，治愈率大幅提高。当地医者见他疗效显着，纷纷前来请教，张仲景毫无保留地向他们讲解六经辨证的方法与方剂配伍的原理。有一位年轻医者问他：“先生，为何同一病症，有的患者用此方有效，有的却无效呢？”张仲景答道：“医者当辨证论治，虽为同一病症，却有体质强弱、病程长短、兼夹邪气之分，用药需灵活调整，不可墨守成规。”
经过近十年的不懈努力，建安十七年，张仲景终于完成了《伤寒杂病论》的初稿。全书共十六卷，分为“伤寒”与“杂病”两部分，其中“伤寒”部分详细阐述了六经辨证体系与相应的诊疗方剂，“杂病”部分则记载了内科、外科、妇科、儿科等多种疾病的诊治方法。书中收录了三百余首方剂，涉及药材两百余种，每首方剂都注明了药材用量、炮制方法、服用方法及适用病症，同时还记载了大量的临床案例与辨证思路，为医者提供了系统、规范的诊疗指导。
初稿完成后，张仲景并未满足，他又带着初稿走访各地医者，征求他们的意见，根据反馈进行修改完善。他还将初稿中的部分内容抄录下来，分发给基层医者与弟子，让他们在临床中试用，记录下遇到的问题与改进建议。有弟子在试用大承气汤时，发现部分患者服药后出现腹胀加重的情况，张仲景得知后，经过反复研究，发现是患者体质虚弱，不耐峻猛药力所致，于是在方剂中加入人参、甘草，以保护正气，修改后的方剂果然效果更好。
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