Родился в 1895 г. в г. Москве.
После окончания гимназии поступил на юридический факультет Московского университета. Окончил его в 1917 году.
В этом же году поступил в аспирантуру Московского университета, которую успешно окончил в 1919 г. без защиты диссертации.
В 1923—1939 гг. работал в органах прокуратуры. Сначала помощником прокурора в Новгородской губернии, с 1926 г. — старшим помощником Северо-Кавказского краевого прокурора. С 1929 г. в прокуратуре Кабардино-Балкарии, затем в прокуратуре РСФСР.
С начала 1934 г. Голунский преподавал уголовный процесс и криминалистику в Московском правовом институте, затем в Правовой академии при ЦИК СССР.
В октябре 1937 г. ему присуждается ученая степень кандидата юридических наук без защиты диссертации, в июне 1938 г. присваивается звание профессора, а в ноябре того же года ученый защищает докторскую диссертацию на тему: "Процессуальные условия и порядок привлечения к уголовной ответственности и предания суду".
В 1939 г. избран членом-корреспондентом Академии наук СССР.
В 1939—1940 гг. заведующий секцией в институте права АН СССР.
С 1940 по 1943 г. работал в Военно-юридической академии.
В 1941 г. вступил в КПСС.
В 1943—1952 гг. начальник Договорно-правового отдела МИД СССР. Участвовал в работе Потсдамской конференции в качестве эксперта и переводчика. Участвовал в работе конференций в Дамбартон Оакс и Сан-Франциско, на которых было принято решение о создании ООН. Выступал обвинителем от СССР на Токийском процессе над японскими военными преступниками.
В 1952—1953 гг. член Международного суда ООН.
В 1954—1958 гг. директор Всесоюзного научно-исследовательского института криминалистики, в 1959—1961 гг. главный редактор журнала «Советское государство и право».
Круг научных интересов Голунского С. А. чрезвычайно широк, он опубликовал ряд трудов по общей теории государства и права, судоустройству, уголовному процессу, криминалистике, уголовному праву, международному праву, истории государства и права.
С. А.Голунским совместно с М. С.Строговичем был написан первый советский учебник "Теория государства и права" (1940), по которому обучались несколько поколений юристов.
Им написаны монографии: "Техника и методика расследования преступлений" (1934); "О вероятности и достоверности в уголовном процессе" (1936); Лекции по судоустройству (1939) (в соавт.); "Судоустройство в СССР" (1940) (в соавт.).
С. А.Голунский применил новые многосистемные переходы к понятию права, правовой нормы, правового регулирования, вышел за пределы традиционных юридических понятий цели в праве, способов его исполнения, соблюдения, применения, что нашло свое воплощение в статьях, написанных в последний год его жизни: "К вопросу о понятии правовой нормы в теории социалистического права" (Советское государство и право. 1962. № 4); "Основные направления развития общенародного права" (Советское государство и право. 1962. № 11). Все это - свидетельство поиска новых подходов к важнейшим проблемам правоведения, которые С. А. Голунский сохранил до последних дней своей жизни.
Умер 29 ноября 1962 г.
Награжден 2 орденами Трудового Красного Знамени (1944, 1945 гг.), орденом Отечественной войны I степени (1946 г.).