Сергей Лебедев родился 25 июля 1874 года в городе Люблине. Отец преподавал русскую словесность, позднее стал священником. В возрасте 9 лет Сергей потерял отца и его жизнь изменилась. Его отправили к дедушке и бабушке, впоследствии с матерью переехал в город Варшава.
В 1885 году поступил в первый класс Варшавской гимназии. Учиться ему не нравилось, но с самого детства мальчик любил читать. В 5 классе понял, что хочет стать химиком, в 17 лет давал уроки, чтобы заработать деньги. После окончания гимназии поступил в Санкт-Петербургский университет на физико-математический факультет, естественное отделение. Там попал в лабораторию к профессору Алексею Фаворскому и полностью отдал себя работе.
В небольшой трехкомнатной квартирке Лебедевых собирались друзья и многочисленные родственники.
В 1921 г. ученый с группой сотрудников принял участие в конкурсе на разработку метода промышленного получения синтетического каучука. Опыты проходили в лаборатории университета. Способ, предложенный Лебедевым, признали лучшим.Ученый исследовал свойства этого материала и предложил рецептуру резиновых изделий из синтетического каучука В Ленинграде был построен опытный завод, на котором были получены первые 260 килограммов синтетического каучука.
Как и большинство химиков того времени, Лебедев создал немало приборов в лаборатории своими руками. Здесь он выполнял обязанности стеклодува, механика, монтера. Тому же учил и своих учеников.
Впервые нечто похожее на каучук в 1909 году Лебедев синтезировал из дивинила. Работа длилась долго, а в итоге получилось всего 19 граммов вещества. Представив образец на заседании Русского химического общества и выслушав поздравления коллег, сказал: «Видите, два года работы — и лишь полчаса результатов. Такова жизнь химика: за каждым словом — годы труда. Но зато в этом наша сила».
На работе никогда не нервничал. Самое резкое его осуждение было: «Это нехорошо». В молодости мог работать в лаборатории до 4—5 часов утра.
Кроме химии Лебедев увлекался небесной механикой. Он мог часами говорить о звездах, планетах и строении Вселенной.
Он постоянно думал о науке. Даже посещая концерты или выставки, Сергей Васильевич записывал химические формулы на обратной стороне афиши или своей записной книжке.
По странному стечению обстоятельств, вскоре после начала промышленного производства каучука на советских заводах в 1934 г. автор открытия скоропостижно скончался от сыпного тифа.
Ученый похоронен в некрополе деятелей искусств в Александро-Невской Лавре и его могила расположена недалеко от могил П.И. Чайковского и А.П. Бородина, Н.А. Римского-Корсакова и А.И. Куинджи.
