Член КПСС с 1938 года.
Родился 22 мая 1906 года в селе Новопанское Рязанской губернии в крестьянской семье. Окончил 7 классов.
В Красной Армии с 1921 года. В 1939 году окончил артиллерийские курсы усовершенствования командного состава.
Участник советско-финской войны 1939-40 годов.
Командир 402-го гаубичного артиллерийского полка капитан Сергей Ниловский отличился во время прорыва долговременной обороны противника у озера Суммаярви. Уничтожив четыре мощных дота и десятки огневых точек противника, полк Ниловского С. Ф. обеспечил прорыв советских частей к городу Выборгу.
За умелое командование полком, образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с финской белогвардейщиной и проявленные при этом отвагу и геройство, Указом Президиума Верховного Совета СССР от 21 марта 1940 года капитану Ниловскому Сергею Фёдоровичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».
В годы Великой Отечественной войны отважный офицер командовал артиллерийскими частями и соединениями, гвардейскими миномётными частями фронта. С. Ф. Ниловский был также награждён орденом Ленина за бои под Оршей в 1941 году. После гибели капитана Флёрова И. А. именно Ниловскому было поручено командовать всеми установками «БМ-13» («Катюша»), которые поступали в войска в 1941 году. Именно он разработал и применил тактику использования «Катюш» в битве за Москву (кроме него не было никого, кто умел бы использовать это новое в то время оружие). В 1941 году ему, тогда ещё подполковнику, И. В. Сталин лично присвоил воинское звание «генерал-майор артиллерии» (минуя звание «полковник»!).
После войны С. Ф. Ниловский возглавлял Научно-исследовательский институт, который создал первые ракеты противовоздушной обороны (ПВО). В 1948 году он окончил Военную академию Генерального штаба. В 1951 году генерал Ниловский стоял у истоков создания ракетного полигона ПВО «Капустин Яр», где был первым комендантом.
В 1950-52 годах — начальник полигона войск ПВО (город Знаменск), затем — начальник факультета Военной академии имени Ф. Э. Дзержинского, с 1957-го до 1966 года — начальник 2-го Центрального научно-исследовательского института Министерства обороны СССР в городе Калинин.
С 1966 года генерал-лейтенант артиллерии Ниловский С. Ф. — в запасе.
Скончался 22 августа 1973 года. Похоронен в г. Москве на Головинском кладбище (участок 21).