Сергей Семёнович Бирюзов родился 5 (18) августа 1905 года (по другим данным, 8 (21) августа 1904 года) в Скопине Рязанской губернии в семье торговца. В 1917 году он окончил церковно-приходскую школу, после чего работал сельскохозяйственным рабочим и лесорубом.
15 сентября 1922 года он добровольно вступил в Рабоче-Крестьянскую Красную Армию (РККА). В 1923 году он окончил 48-е пехотно-пулемётные курсы 10-х Владикавказских курсов, а в 1926 году — Объединённую Кремлёвскую школу имени ВЦИК. В 1929 году он окончил два курса Вечернего рабочего университета.
С сентября 1926 по декабрь 1929 года Бирюзов командовал взводом полковой школы 65-го стрелкового полка, затем командовал ротой 36-го авиапарка в Северо-Кавказском военном округе до июня 1930 года. С февраля 1931 года он был командиром роты 3-го стрелкового полка Московской Пролетарской дивизии, затем начальником штаба учебного батальона, а с апреля 1932 года — командиром батальона в той же дивизии. В июне 1934 года он поступил в академию.
В 1937 году Бирюзов окончил Военную академию РККА имени М. В. Фрунзе с дипломом первой степени. Он продолжил службу начальником штаба 30-й стрелковой дивизии с октября 1937 по апрель 1938 года, затем начальником оперативного отдела штаба Харьковского военного округа до августа 1939 года.
В августе 1939 года Бирюзов стал командиром 132-й стрелковой дивизии Харьковского военного округа, которую вывел в лучшие по боевой подготовке в округе.
Во время Великой Отечественной войны Бирюзов командовал 132-й стрелковой дивизией с августа 1939 по апрель 1942 года, участвуя в Смоленском оборонительном сражении и битве за Москву. В октябре 1941 года он был ранен и несколько месяцев провёл в госпитале, оставаясь командиром дивизии на бумаге. За мужество и героизм был награждён орденом Ленина.
С апреля по ноябрь 1942 года он был начальником штаба 48-й армии на Брянском фронте, получив пять ранений в первый год войны. С декабря 1942 по апрель 1943 года он служил начальником штаба 2-й гвардейской армии Сталинградского (позднее Южного) фронта, а с апреля 1943 года — начальником штаба Южного (с октября 1943 — 4-го Украинского) фронта, командуя под руководством Ф. И. Толбухина в Донбасской операции и освобождении Крыма.
С мая 1944 года Бирюзов был начальником штаба 3-го Украинского фронта, снова под командованием Толбухина. На этой должности он участвовал в Ясско-Кишинёвской и Белградской наступательных операциях. С октября 1944 года он командовал 37-й армией, находясь до конца войны на территории Болгарии и не участвуя в боевых действиях. Одновременно он был главным военным советником при Болгарской армии и заместителем председателя Союзной контрольной комиссии в Болгарии.
После Великой Отечественной войны Бирюзов продолжил службу. С мая 1946 года он занимал пост заместителя Главнокомандующего Сухопутными войсками по боевой подготовке, затем с июня 1946 года был заместителем Главнокомандующего Южной группой войск. В июне 1947 года он стал командующим войсками Приморского военного округа, а с апреля 1953 года — первым заместителем командующего войсками Дальневосточного военного округа.
С июня 1953 года Бирюзов был Главнокомандующим Центральной группой войск (Австрия и Венгрия), с мая 1954 года — первым заместителем Главнокомандующего Войсками ПВО страны. В марте 1955 года он стал Главнокомандующим войсками ПВО, одновременно занимая должность заместителя министра обороны СССР. 1 февраля 1958 года ему было присвоено звание Героя Советского Союза. С 1956 года он был кандидатом, а с 1961 года членом ЦК КПСС.
В апреле 1962 года Бирюзов был назначен Главнокомандующим ракетными войсками стратегического назначения, а в марте 1963 года — начальником Генерального штаба Вооружённых сил СССР и первым заместителем министра обороны СССР. В это время он был близок к группе Шелепина и был посвящён в планы смещения Хрущёва, по утверждению Г. Арбатова.
19 октября 1964 года Сергей Семёнович Бирюзов погиб в авиационной катастрофе вблизи Белграда на горе Авала. Иосип Броз Тито посмертно присвоил ему звание Народного героя Югославии. Его прах был помещён в урне в Кремлёвской стене на Красной площади в Москве.