Родился 18 июня (1 июля) 1911 года в Евпатории Таврической губернии (ныне Автономная республика Крым, Украина) в семье служащего. После революции в 1918 году семья перебралась в уездный городок Котельнич Вятской губернии, где прошли ранние годы будущего Маршала. Окончил девятилетнюю школу в 1927 году. Трудовую деятельность начал в 1927 году упаковщиком посуды в райпотребсоюзе, затем оказался в числе переведённых на ответственную комсомольскую работу. В 1930 — 1932 годах — освобождённый секретарь комсомольской организации промкомбината механических мастерских в районном доке, позднее избран членом бюро райкома комсомола. Член ВКП(б) с 1937 года.
В рядах Красной Армии с мая 1932 года. По комсомольской путёвке получил право поступления в Горьковскую бронетанковую школу. Успешно пройдя вступительные испытания, был зачислен в училище курсантом (май 1932 — ноябрь 1934), командовал взводом и ротой. С отличием пройдя курс армейской подготовки, на прохождение дальнейшей службы направлен на Дальний Восток в танковые войска, где командовал взводом, ротой и отдельным батальоном. Участник боёв на озере Хасан (1938), где командовал танковой ротой.
В Великую Отечественную войну в июне — сентябре 1941 года начальник штаба танкового полка, участник боёв на Западном фронте. С октября 1941 года — старший помощник начальника, а с апреля 1942 года — начальник отдела Автобронетанкового управления РККА, с июня 1942 года — начальник штаба этого управления, с января 1943 года по март 1944 года начальник штаба Управления командующего бронетанковыми и механизированными войсками Карельского фронта. В марте — сентябре 1944 года — командующий бронетанковыми и механизированными войсками 32-й армии того же фронта. Участвовал в обороне и освобождении советского Заполярья, проявил личное мужество и высокие организаторские способности в управлении бронетанковыми войсками. Полковник (9 сентября 1943 года).
В 1947 году окончил Военную академию бронетанковых и механизированных войск имени И. В. Сталина. После окончания академии с ноября 1947 года командир танкового полка, в мае 1948 года — декабре 1949 года — начальник штаба танковой дивизии. В 1951 году окончил Высшую военную академию имени К. Е. Ворошилова. С января 1952 года — командир механизированной дивизии, генерал-майор (3 августа 1953 года). С декабря 1954 года — начальник штаба армии. С марта 1960 года — командующий общевойсковой армией, генерал-лейтенант (25 мая 1959 года). В январе 1960 — июле 1964 годов — начальник штаба — первый заместитель командующего войсками Московского военного округа, генерал-полковник (13 апреля 1963 года). С июля 1964 года — первый заместитель командующего, а с октября 1965 года — командующий войсками Ленинградского военного округа.
С апреля 1967 года — первый заместитель Министра обороны СССР. Воинское звание генерала армии было присвоено 12 апреля 1967 года, а 17 февраля 1978 года ему было присвоено звание Маршал Советского Союза.
Один из руководителей действий советских войск в Афганистане. В 1980—1985 годах, не оставляя занимаемую должность, был руководителем Оперативной группы Министерства обороны СССР в Афганистане. Формально осуществлял взаимодействие между советскими и афганскими войсками, фактически планировал ведение боевых действий афганской армии и Ограниченного контингента советских войск. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 28 апреля 1980 года «за личное мужество и умелое управление войсками, проявленные при оказании интернациональной помощи Демократической Республике Афганистан» Маршал Советского Союза С. Л. Соколов удостоен звания Героя Советского Союза (медаль «Золотая Звезда» № 11438 с вручением второго ордена Ленина).
С 22 декабря 1984 года по 30 мая 1987 года — Министр обороны СССР. Потерял пост Министра обороны после полёта Матиаса Руста. Депутат Верховного Совета СССР 7—11 созывов. С июня 1987 года по июль 1989 года — генеральный инспектор Группы генеральных инспекторов Министерства обороны СССР, впоследствии старший Группы (в должности оставался вплоть до её отмены в январе 1992 года). С 1992 года — в отставке. При увольнении в отставку маршал награждён именным пистолетом. Некоторое время являлся советником Главнокомандующего Объединёнными Вооружёнными Силами СНГ, с сентября 1992 года — советник при Министерстве обороны Российской Федерации.
Член ВКП(б) с 1937 года. Член ЦК КПСС в 1968—1989 г. Кандидат в члены Политбюро ЦК КПСС с апреля 1985 по июнь 1987 года.
С начала 1990-х годов осуществлял координацию деятельности общественных организаций по делам ветеранов воинской службы, участвовал в работе комиссий по подготовке и проведению мероприятий в связи с памятными событиями военной истории Отечества: в 1994 году возглавил Фонд 50-летия Победы. 5 августа 2000 года Указом Президента Российской Федерации № 1441 утверждён в состав Российского организационного комитета «Победа» и избран заместителем председателя этой организации. С 2002 года возглавляет клуб ветеранов-военачальников при Московском Доме ветеранов войн и Вооружённых Сил.
1 июля 2011 года, Маршал Советского Союза Сергей Леонидович Соколов отметил 100-летний юбилей. Президент России Дмитрий Медведев направил юбиляру поздравительную телеграмму, а министр обороны РФ Анатолий Сердюков лично поздравил Сергея Леонидовича, вручив ему ценный подарок.
Сыновья:
Награды Афганистана
Награды НРБ
Награды Венгрии
Награды Вьетнама
Награды ГДР
Награда Иордании
Награда КНДР
Награды Кубы
Награды МНР
Награды ПНР
Награды Румынии
Награды ЧССР
Награда Финляндии
В июле 2001 года, в день своего 90-летия, удостоен званий «Почётный крымчанин» и почётный гражданин г. Евпатория.