Получил общее образование в Петербурге, в знаменитой немецкой школе Петришуле (1866?1869). Окончил курс в Петербургской медико-хирургической академии.
Работал при клинике профессора С. П. Боткина, в лабораториях профессоров Гольтца и Гоппе-Зейлера (Страсбург), в Лейпциге и Геттингене. Доктор медицины (1883).
Был профессором общей патологии в Варшаве, где устроил образцовую лабораторию. Экстраординарный профессор Варшавского университета (1886). Ординарный профессор (1889).
С 1894 по 1902 год состоял директором института экспериментальной медицины в Петербурге, где заведовал научным отделом общей патологии.
В начале января 1897 года С. М. Лукьянов вступил в состав совещания, образованного при председателе комиссии, А. П. Ольденбургском, "О предупреждении занесения в Империю чумной заразы и мерах борьбы с нею" — КОМОЧУМ. Как член комиссии он был командирован на международную санитарную конференцию в Венецию для обсуждения мер против проникновения и распространения чумной заразы. ИЭМ стал базой по производству препаратов для лечения и профилактики особо опасных инфекций. В рамках КОМОЧУМа С. М. Лукьянов принимает активное участие в организации первых экспедиций на чуму и холеру и создании в 1901 году "Особой лаборатории", которая вошла в историю науки под названием "Чумной форт".
В 1902 году назначен товарищем министра народного просвещения. В октябре-ноябре 1905 — управляющий МНП, но министром так и не был назначен.
С 1906 года - член государственного совета. С 1909 по 1911 годы занимал пост обер-прокурора Святейшего Синода.
В 1919 году арестован ЧК. Освобожден после того как ученые Института экспериментальной медицины направили в Наркомат Минздрава коллективное письмо в его защиту. Занимался преподавательской деятельностью.
В 1930 году вышел на пенсию. Умер в 1935 году.