Сергей Лебедев родился 25 июля 1874 года в Люблине в семье священника. После смерти отца его семья была вынуждена переехать в Варшаву, где Сергей Васильевич и поступает в Варшавскую гимназию. В 1895 году, после окончания гимназии, Сергей отправляется в Петербургский университет и вскоре поступает на естественное отделение физико-математического факультета. В 1900 г. он заканчивает университет. Некоторое время он работает лаборантом на мыловаренном заводе, но вскоре находит место в комиссии по исследованию рельсовой стали при Институте инженеров путей сообщения. В 1902 г. его принимают лаборантом отделения технической и аналитической химии Петербургского университета. Во время русско-японской войны Лебедева призывают в действующую армию, его научная работа прерывается на два года.
После возвращения в 1906 г. в Петербург ученый целиком отдается исследованиям. В декабре 1909 года Сергей Васильевич демонстрирует коллегам каучукоподобный термополимер дивинила. Он не только добился практических результатов в полимеризации дивинала, но и изучил кинетику и механизм этой реакции, установив фундаментальные закономерности, которые вошли в физическую химию как законы термополи-меризации диеновых углеводородов. Он сформулировал правила, позволившие его последователям безошибочно выбирать вещества для синтеза каучука.
Сергей Васильевич впервые получил в 1910 г. образец синтетического бутадиенового каучука. В апреле 1913 года Лебедев защитил магистерскую диссертацию «Исследования в области полимеризации непредельных углеводородов». В этой фундаментальной работе излагалась технология получения искусственного каучука. С 1914 г. начал вести работы по изучению полимеризации этиленовых углеводородов, которые легли в основу современных промышленных методов получения бутилкаучука и полиизобутилена. Разработал (1926-1928 гг.) одностадийный промышленный способ получения бутадиена из этилового спирта путем совмещенной каталитической реакции дегидрогенизации и дегидратации на смешанном цинкалюминиевом катализаторе. Получил в 1928 г. синтетический каучук полимеризацией бутадиена под действием металлического натрия. На основе этого каучука разработал (1930) методы получения резины и резинотехнических изделий.
В течение 1930 года в Ленинграде был построен Опытный завод под технологию, разработанную Лебедевым. Тогда же производство было запущено. А в 1931 году Лебедева наградили орденом Ленина «за особо выдающиеся заслуги по разрешению проблемы получения синтетического каучука». С 1932 г. по способу Лебедева в СССР начала создаваться впервые в мире промышленность синтетического каучука.
Им был осуществлен (1930-е гг.) цикл исследований в области гидрогенизации этиленовых углеводородов, установлена зависимость скорости присоединения водорода по двойной связи от величины, природы и местоположения заместителей в молекуле этилена. Разработал способы получения из нефтяных фракций загустителей смазочных масел, используемых в производстве высоковязких смазок для авиационных двигателей.
Академик Лебедев скончался 2 мая 1934 года от сыпного тифа.