Разработал первую в СССР высоковакуумную приёмную телевизионную трубку, т.н. «радиоглаз» (1931-32 гг.), изобрёл передающую электроннолучевую трубку с накоплением зарядов - прототип современного иконоскопа (1931). Такая технология позволяла принимать более четкое изображение, чем было доступно прежде. В 1934-1938 гг. предложил и впервые осуществил в лабораторных условиях систему передачи чёткой телевизионной картины по узкополосному каналу, так называемое малокадровое телевидение, или передачу с продлённым кадром. Семен Исидорович является автором способа передачи звукового сопровождения телевизионных программ в полосе частот видеосигнала.
В 1944 году он обосновал стандарт ТВ-вещания (625 строк), принятый и сейчас во всем мире. После запуска 4 октября 1957 года искусственного спутника земли, Катаев разработал идею создания космической связи.
Награжден орденом Трудового Красного Знамени и медалями. В 1968 г. присвоено звание заслуженного деятеля науки и техники.
Умер в 1970 г.