В 1874 году он вместе с братом Евгением поступил в частную гимназию Ф. И. Креймана, а в 1877 году — в Калужскую мужскую казенную гимназию, куда переехала семья в связи с назначением отца семейства вице-губернатором. В 1881 году братья, Сергей и Евгений поступили на юридический факультет Московского университета, но Сергей уже через две недели перешел на историко-филологический факультет, где учился сначала на историческом, а затем — на классическом отделении. Ещё с 4-го класса гимназии он заинтересовался философией, в 16 лет пережил период увлечения англо-французским позитивизмом; в 7-м классе чтение 4 томов «Истории новой философии» К. Фишера положило начало критическому изучению философии; поворот же к религиозной философии произошёл под влиянием чтения брошюр А. С. Хомякова. А в студенческие годы он познакомился с произведениями В. С. Соловьёва, который стал его другом.
В 1885 году он окончил Московский университет и был оставлен на кафедре философии для подготовки к профессорскому званию. В следующем году он сдал магистерские экзамены и с 1888 года стал читать лекции в качестве приват-доцента. В 1890 году он защитил магистерскую диссертацию «Метафизика в Древней Греции», а в 1900 году — докторскую «Учение о Логосе в его истории» и получил должность экстраординарного профессора. С 1904 года — он ординарный профессор. С. Н. Трубецкой читал почти все историко-философские курсы: философию Отцов Церкви, историю древней философии, историю новейшей философии, историю христианской мысли в первые века, философию Платона и Аристотеля.
5 октября 1887 года Сергей Николаевич Трубецкой женился на Прасковье Владимировне, урожденной княжне Оболенской (1860—1914). К тому времени на её сестре уже был женат сводный брат С. Н. Трубецкого — П. Н. Трубецкой.
Летом 1895 года Сергей Николаевич Трубецкой поселился вместе с семьёй в имении «Узкое». Его сыновей, Николая и Владимира, увековечил эдесь их двоюродный дядя, знаменитый скульптор Паоло Трубецкой, который также посетил Узкое в 1895 году.
Был утверждён в чине статского советника с 1902 года. В 1903 году командирован за границу. В 1904 году получил греческий орден Спасителя 4-й степени.
Профессор философии и первый выборный ректор Московского Университета. Был редактором журнала «Вопросы философии и психологии» (1900—1905).
После того, как Николай II указом от 27 августа 1905 года ввёл «Временные правила об управлении высшими учебными заведениями Министерством народного просвещения», Совет университета 2 сентября избрал ректором 43-летнего князя С. Н. Трубецкого. Это было ярким выражением того авторитета, которым пользовался он в коллективе университета. Однако это не остановило студенческих волнений, лишавших возможности вести нормальные занятия и 22 сентября Трубецкой принял решение закрыть университет, чем, однако, ещё более накалил обстановку.
29 сентября в помещении Министерства народного просвещения у него произошло кровоизлияние в мозг, от которого он скончался. Похоронен Сергей Николаевич Трубецкой в Москве на кладбище Донского монастыря.
Последователь русского философа В. С. Соловьёва, Трубецкой особое внимание уделял вопросам соотношения и взаимосвязи философии и религии, обоснованию христианского вероучения, в том числе вопросам бессмертия.
Особое внимание в религиозной философии «конкретного идеализма» Сергея Николаевича уделялось разработке закона «универсальной соотносительности», который сводился к утверждению, что «знание приобретает логическую последовательность лишь в случае, когда оно является следствием универсального разума или второй ипостаси божественной Троицы». Посредством закона «универсальной соотносительности» Трубецким была сделана попытка преодолеть «односторонность» подходов трёх китов философии — рационализма, эмпиризма и мистицизма, соединив вместе их подходы к познанию бытия: разум, опыт и интуицию соответственно.