Вырос в семье известных математиков, Петра Сергеевича Новикова (1901—1975), академика АН СССР, крупнейшего специалиста по математической логике, алгебре, теории множеств, теории групп и функций, награждённого Ленинской премией (1957), и Людмилы Всеволодовны Келдыш (1904—1976), специалиста по геометрической топологии и теории множеств, сестры президента АН СССР М. В. Келдыша.
Женат (1962), имеет сына и двух дочерей.
В 1960 г. С. П. Новиков закончил Московский государственный университет, с того же года — аспирант Математического института имени В. А. Стеклова АН СССР (руководитель — профессор М. М. Постников), с 1963 г. — сотрудник института. В 1964 г. защитил кандидатскую, в 1965 г. — докторскую диссертацию. С 1966 г. член-корреспондент, с 1981 г. действительный член АН СССР. С 1971 г. заведует отделом математики в Институте теоретической физики им. Л. Д. Ландау АН СССР, в 1983 — кафедрой высшей геометрии и топологии МГУ. С 1984 г. заведует Отделом геометрии и топологии МИАН СССР.
В 1964 г. С. П. Новикову была присуждена премия Московского математического общества для молодых математиков. Последующие работы были удостоены Ленинской премии за 1967 г., а также премии имени Н. И. Лобачевского АН СССР в 1981 г. На XVI Международном конгрессе математиков в 1970 г. за труды по топологии была присуждена Филдсовская премия (первому среди советских математиков), причём на церемонии вручения не присутствовал, так как ему было отказано в выездной визе. В 2005 г. за фундаментальный и новаторский вклад в алгебраической и дифференциальной топологии, математической физике и за введение алгебро-геометрических методов был награждён премией Вольфа. В 2008 г. за выдающиеся работы в области геометрии и топологии награждён премией имени Погорелова Национальной академии наук Украины. В 2009 г. за выдающиеся результаты в области математики, теоретической физики и механики присуждена Золотая медаль имени Н. Н. Боголюбова Отделения математики РАН.
С 1983 г. С. П. Новиков занимал важные должности в российских и международных научных организациях. Являлся членом комитетов по присуждению Филдсовских премий Международного математического союза в Беркли (1983—1986 гг.) и Пекине (2000—2002), президентом Московского математического общества (1985—1996), руководил комиссией «Геометрия и топология» при Отделении математики АН СССР (1984—1991). Был вице-президентом Международной ассоциации математической физики (1986—1990), председателем Экспертного совета по математике, механике и информатике Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) (1993—1998). Главный редактор журнала «Успехи математических наук» (c 1986 г.), член редакционной коллегии библиотечки «Квант» (издательство «Наука»).
Почётный член многих зарубежных научных обществ и академий, в том числе Лондонского математического общества (избран в 1987 г.), Сербской академии наук и искусств (с 1988 г.), Европейской академии «Academia Europaea» (с 1990 г.), Итальянской национальной академии деи Линчеи (с 1991 г.), Национальной академии наук США (c 1994 г.), Папской академии наук Ватикана (c 1996 г.), почётный доктор (Doctor Honoris Causa) Афинского и Тель-Авивского университетов.
С. П. Новиков — автор более 160 научных и научно-популярных статей и монографий по математике и математической физике. С 1978 г. выступал с многочисленными докладами в ведущих мировых научных центрах.
Основные работы в области алгебраической и дифференциальной топологии, где он доказал топологическую инвариантность характеристических классов Понтрягина, это, учитывая более ранние работы Дж. Милнора, показало, что существуют гомотопически эквивалентные, но не гомеоморфные многообразия в высоких размерностях. Позднее его интересы привлекла математическая физика, в частности, теория солитонов.
Среди учеников С. П. Новикова доктора наук В. Л. Голо, В. М. Бухштабер, А. С. Мищенко, И. А. Володин, Г. Г. Каспаров, О. И. Богоявленский, Ф.Богомолов, С. М. Гусейн-Заде, И. М. Кричевер, Б. А. Дубровин, А. П. Веселов, И. К. Бабенко, Р. Г. Надирадзе, В. В. Веденяпин, М. А. Бродский, С. П. Царев, О. И. Мохов, Р. Г. Новиков, И. А. Тайманов, П. Г. Гриневич. Кроме названных выше, учениками С. П. Новикова являются также Н. В. Панов, А. Л. Брахман, А. А. Пересецкий, С. Д. Григорян, А. В. Зорич, Ф. Ф. Воронов, А. С. Лыскова, М. В. Павлов, Ле Ты Куок Тханг, Д. В. Миллионщиков, Л. А. Алания, С. А. Пиунихин, В. А. Садов, И. А. Дынников, А. Я. Мальцев, А. Ю. Лазарев, Р.Делео, А.Джакоббе и другие.