Супруг великой княгини Елизаветы Феодоровны. Погиб от бомбы террориста Каляева.
Участник русско-турецкой войны 1877—1878.
С февраля 1887 года — командир лейб-гвардейского Преображенского полка.
С 26 февраля 1891 года московский военный генерал-губернатор; с 1896 командующий Московским ВО (генерал-лейтенант).
С 1892 года почётный член находящегося под покровительством великого князя Владимира Александровича берлинского православного Свято-Князь-Владимирского братства.
В 1892 году состоялись торжественное открытие и освящение здания Московской городской думы на Воскресенской площади; в конце того же года проведены выборы гласных по новому «Городовому положению».
В его генерал-губернаторство состоялось Высочайшее повеление от 15 октября 1892 года: «евреям отставным нижним чинам, служившим по прежнему рекрутскому набору, и членам их семейств, приписанным к городам внутренних губерний, а также тем, кои по выходе в отставку, не приписались ещё ни к какому обществу» воспрещалась приписка к податным обществам и причисление к ремесленным цехам Москвы и Московской губернии; вышеозначенным лицам, а также «тем, которые приписаны к обществам в черте еврейской оседлости», воспрещалось как временное, так и постоянное жительство в Москве и Московской губернии — в соответствии с общими правилами, установленными для временного пребывания евреев вне черты еврейской оседлости (то есть в соответствии со статьёй 157-й «Устава о паспортах и беглых»); повеление предписывало все перечисленные категории евреев, «которые окажутся на жительстве в Москве и Московской губернии ко времени издания настоящих правил, удалить, с членами их семейств, из названных местностей, в сроки, определяемые в каждом отдельном случае, по взаимному соглашению Московского Генерал-Губернатора и Министра Внутренних Дел»; указанные ограничения не распространялись на евреев из отставных нижних чинов, уже приписанных к мещанским обществам Москвы и губернии, а также вступивших в вечные ремесленные цехи.
Для создания нормальных условий жизни студентов, приезжавших в Москву, Сергей Александрович возбудил вопрос об организации общежитий при Московском университете. Первый корпус общежития открыт в 1899, второй — в 1903. В 1893 завершилось сооружение новой очереди Мытищинского водопровода. В 1899 городской транспортный парк пополнили трамваи. В 1896 открыт Музей московского городского хозяйства, в 1898 — Художественно-общедоступный театр. По инициативе Сергея Александровича в 1892 началось создание портретной галереи бывших московских генерал-губернаторов. Мрачным эпизодом правления Сергея Александровича стала катастрофа на Ходынском поле. В катастрофической давке, по официальным данным, погибли 1389 чел. и 1300 получили тяжёлые увечья. Преступная халатность царских властей вызвала общественное возмущение в России. Правительство произвело следствие, московский оберполицмейстер и ряд второстепенных чиновников были смещены. Главный виновник «Ходынки» — московский генерал-губернатор великий князь Сергей Александрович (прозванный «князем Ходынским») в том же 1896 был назначен командующим войсками Московского военного округа.
Поддерживал правительственные профсоюзы (зубатовщину) и монархические организации, был оппонентом революционного движения. Большое влияние на ситуацию в Москве после 1896 года оказывал обер-полицмейстер Д. Ф. Трепов.
1 января 1905 покинул пост Московского генерал-губернатора, но остался во главе войск округа, став Главнокомандующим войсками МВО.
Был одним из инициаторов создания и с 21 мая 1882 года членом-учредителем, а с 24 апреля 1889 года и до своей гибели — Председателем Православного Палестинского общества; с 1881 года, по смерти императора Александра III, почётным председателем правления Императорского Российского Исторического музея.
Сообразно своему положению (как одного из старших членов Императорской фамилии), состоял президентом, председателем, членом или благотворителем многих научных обществ и организаций: Московского архитектурного общества, Дамского попечительства о бедных в Москве, Московской духовной академии, Московского филармонического общества, Комитета по устройству при Московском университете Музея изящных искусств имени императора Александра III, Московского археологического общества, а также состоял почётным членом Академии наук, Академии художеств, Общества художников исторической живописи, Московского и Петербургского университетов, Московского археологического общества, Общества сельского хозяйства, Общества любителей естествознания, Русского музыкального общества, Археологического музея в Константинополе и Исторического музея в Москве, а также Московской Духовной Академии, Православного миссионерского общества, Отдела распространения духовно-нравственных книг.
4 февраля 1905 года, около 3 часов пополудни, великий князь отъехал в карете от Николаевского дворца в Кремле; при подъезде к Никольской башне был разорван «адской машиной», брошенной террористом Иваном Каляевым; погиб сразу, смертельно ранило кучера, карету разнесло. Тело великого князя было расчленено взрывом на части; после бальзамирования и заморозки останки были положены во гроб, который был поставлен в соборе кремлёвского кафедрального Чудова монастыря. Из телеграмм из Москвы 8 февраля: «Кремль весь день переполнен народом. У гроба Великого Князя непрерывно служатся панихиды. Церковь святителя Алексия, в которой поставлен гроб с останками Великого Князя далеко не может вместить всех желающих поклониться праху <…>». Раненый кучер Андрей Рудинкин был доставлен в Яузскую больницу, где вскоре умер; его имя также поминалось на Высочайшей панихиде вечером 8 февраля, которую возглавлял митрополит Московский Владимир (Богоявленский) при всеобщем рыдании богомольцев.
Отпевание, по высочайше утверждённому церемониалу, было совершено 10 февраля 1905 года в Алексеевской церкви Чудова монастыря в Кремле митрополитом Московским Владимиром (Богоявленским) в сослужении викариев; император и императрица не присутствовали. Последние присутствовали утром того же дня за заупокойным богослужением в соборе Большого Царскосельского дворца. Газетные сообщения из Москвы в день отпевания гласили: «Несмотря на будний день, тысячные толпы стремятся в Кремль отдать последний долг и поклониться праху мученически погибшего Великого Князя. В знак траура некоторые магазины закрыты, на генерал-губернаторском доме развеваются траурные флаги с белыми плерезами. Перед воротами Кремля благоговейно настроенная толпа образовала живые шпалеры <…>». В своём слове утешения Елисавете Феодоровне пред богослужением митрополит Владимир назвал великого князя «мучеником».
В отличие от всех прочих великих князей, скончавшихся в царствование Николая II, не был похоронен в Петропавловском соборе Петербурга (или Новой усыпальнице при нём); его останки вскоре были преданы земле в храме-усыпальнице, устроенном под Алексеевским собором Чудова монастыря, снесённом в 1930 году (в 1995 году обнаружены при раскопках в Кремле и перенесены в Новоспасский монастырь).
Известно, что великая княгиня Елизавета 7 февраля навестила в тюрьме убийцу своего мужа, террориста Ивана Каляева, и простила его от имени мужа. Много лет сотрудничавший с князем В. Ф. Джунковский писал по этому поводу: «Она, по своему характеру всепрощающая, чувствовала потребность сказать слово утешения и Каляеву, столь бесчеловечно отнявшему у неё мужа и друга». Узнав, что Каляев — человек верующий, она подарила ему Евангелие и маленькую иконку, призвав его к покаянию. Она же просила Императора о помиловании убийцы.
Убийство Великого князя Сергея потрясло консервативно-монархические круги общества. Его осудил вождь ирландских террористов Микаэль Девильт, незадолго до трагедии встречавшийся с Великим князем в Москве. Он заявил представителям печати, что покойный генерал-губернатор был «гуманным человеком и постоянно проявлял интерес к улучшению жизни рабочих». В леворадикальной и еврейской среде, напротив, новость была встречена с удовлетворением, о чём может свидетельствовать циничная шутка того времени: «Наконец Великому князю пришлось пораскинуть мозгами!».
2 апреля 1908 года на месте гибели Сергея Александровича в Кремле был освящён и открыт памятник-крест, выполненный по проекту В. М. Васнецова; памятник был снесён 1 мая 1918 года, причём в сносе креста лично участвовал В. И. Ленин.
3 (15) июня 1884 года в Придворной церкви Зимнего дворца венчался браком с принцессой Гессен-Дармштадтской Елизаветой Александрой Луизой Алисой, в православии получившей имя Елисаветы Феодоровны. Последняя была второй дочерью великого герцога Гессенского Людвига IV, внучкой английской королевы Виктории и старшей сестрой императрицы Александры Фёдоровны — супруги Николая II.
В семье Сергея и Елизаветы воспитывались великая княжна Мария Павловна и её брат, великий князь Дмитрий Павлович, мать которых умерла при преждевременных родах. После убийства мужа, оставив светскую жизнь, Елизавета Федоровна приняла монашество, впоследствии канонизирована как преподобномученица, убитая большевиками.
Согласно составленному в 1992 году (после её канонизации) житию преподобномученицы Елизаветы, супруги независимо друг от друга, ещё до знакомства, дали Богу обет девства. Поэтому брак их был бездетным, они жили как брат с сестрой.
Шарлотта Зеепват, представительница западноевропейской промонархистской историографии, пишет:
Исследовательница считает, что
Социолог, психолог и сексолог Игорь Кон утверждал (1997), что Сергей Александрович вёл открыто гомосексуальный образ жизни, приведя в качестве примера историю из воспоминаний министра иностранных дел графа Владимира Ламсдорфа. Историк В. Балязин отмечал: «Их семейная жизнь не задалась, хотя Елизавета Фёдоровна тщательно скрывала это, не признаваясь даже своим дармштадтским родственникам. Причиной этого, в частности, было пристрастие Сергея Александровича к особам другого пола». Содержательница столичного великосветского салона супруга генерала Е. Богдановича А. В. Богданович передавала в своём дневнике слова царскосельской подруги о том, что «Сергей Александрович живёт со своим адъютантом Мартыновым, что жене предлагал не раз выбрать себе мужа из окружающих её людей. Она видела газету иностранную, где было напечатано, что приехал в Париж le grand duc Serge avec sa maitresse m-r un tel. Вот, подумаешь, какие скандалы!» Нина Берберова в биографии современника князя композитора П. И. Чайковского, известного своей нетрадиционной ориентацией, упоминала такой эпизод: «Известен один случай с человеком, знакомым довольно многим, преподавателем латыни и греческого, любовником московского губернатора, вел. кн. Сергея Александровича (брата Александра Третьего), которого судили и которому дали три года „изгнания“ в Саратов, а затем вернули в Москву».
Мнения ряда современников и некоторых исследователей о характере личной жизни великого князя дополняют их оценки его политической деятельности. Так, американский автор Вирджиния Коулз, говоря о том, что она считает антисемитами императора Александра III и великого князя Сергея, называла последнего «садистом и гомосексуалистом». Член Государственной думы первого созыва кадет В. П. Обнинский писал о нём в анонимно изданном немецким издательством труде «Последний Самодержец» (1912): «Этот сухой, неприятный человек, уже тогда влиявший на молодого племянника, носил на лице резкие знаки снедавшего его порока, который сделал семейную жизнь жены его, Елисаветы Фёдоровны, невыносимой и привел её, через ряд увлечений, естественных в её положении, к монашеству». Впрочем, Обнинский, рисуя панораму разложения правящей элиты и вооружённых сил России, утверждал также: «Позорному пороку предавались и многие известные люди Петербурга, актёры, писатели, музыканты, великие князья. Имена их были у всех на устах, многие афишировали свой образ жизни. <…> Курьёзно было и то, что пороком страдали не все полки гвардии. В то время, например, когда преображенцы предавались ему, вместе со своим командиром, чуть ли не поголовно, лейб-гусары отличались естественностию в своих привязанностях».
В течение всей жизни Сергей Александрович был весьма близок и дружен со своим двоюродным братом великим князем Константином Константиновичем, дневниковые записи которого содержат упоминания о гомосексуальных контактах.
Сведения о сексуальных предпочтениях Сергея Александровича не всеми считаются достоверными, а среди ряда монархически настроенных православных имеется течение за канонизацию князя и даже пишутся его «иконы».
Придворный чиновник генерал А. А. Мосолов в мемуарах на русском языке ничего не говорит о личной жизни великого князя: «Очень высокого роста, весьма породистой красоты и чрезвычайно элегантный, он производил впечатление исключительно холодного человека. <…> Офицеры Преображенского полка, которым он много лет командовал, очень любили Его Высочество. Государь относился к нему с явным уважением, но, по-видимому, особенной интимности между дядей и племянником не было, хотя они были женаты на двух сёстрах, к тому же очень дружных. Симпатии вел. князя клонились к крайне реакционным течениям, но влияние его на императора не сказывалось».
Отзыв о нём великого князя Александра Михайловича в эмигрантских воспоминаниях: «Великий Князь Сергей Александрович сыграл роковую роль в падении Империи и был отчасти ответствен за катастрофу во время празднования коронации Николая II на Ходынском поле, в 1896 году. При всём желании отыскать хотя бы одну положительную черту в его характере, я не могу её найти. Будучи очень посредственным офицером, он, тем не менее, командовал Л. Гв. Преображенским полком — самым блестящим полком гвардейской пехоты. Совершенно невежественный в вопросах внутреннего управления, Великий Князь Сергей был тем не менее Московским генерал-губернатором, пост, который мог бы быть вверен лишь государственному деятелю очень большого опыта. Упрямый, дерзкий, неприятный, он бравировал своими недостатками, точно бросая в лицо всем вызов и давая, таким образом, врагам богатую пищу для клеветы и злословия. <…> Император Николай II не должен был допускать, чтобы Великий Князь Сергей сохранил бы свой пост генерал-губернатора после катастрофы на Ходынском поле. Как бы для того, чтобы ещё более подчеркнуть свою неприятную личность, он женился на старшей сестре Государыни Великой Княгине Елисавете Фёдоровне. Трудно было придумать больший контраст, чем между этими, двумя супругами!»