Сергей Сергеевич Каменев родился в семье военного инженера 4 апреля 1881 года в Киеве.
В 1898 году закончил Владимирский Киевский кадетский корпус. 1 сентября того же года поступил на службу юнкером в Александровское военное училище в Москве. Окончил училище третьим по старшинству. Каменев был выпущен 9 августа 1900 года по первому разряду подпоручиком в Луцкий 165-й пехотный полк, где с 1900 по 1904 годы служил батальонным адъютантом полка. 9 августа 1903 года был произведён в поручики.
В 1907 году Сергей Каменев закончил Николаевскую военную академию Генерального штаба в Петербурге по первому разряду. Пётр Семёнович Махров так характеризовал Каменева:
7 мая 1907 года был произведён в штабс-капитаны. С 6 ноября 1907 по 7 ноября 1909 года Каменев отбывал цензовое командование ротой в 165-м пехотном Луцком полку. В период командования ротой Каменев попутно делается внештатным преподавателем Киевского военного училища, где преподавал тактику и топографию.
С 26 ноября 1909 года работал помощником старшего адъютанта штаба Иркутского военного округа. С 6 декабря 1909 года капитан. С 10 февраля 1910 года служил старшим адъютантом штаба 2-й кавалерийской дивизии. Будучи по первоначальной службе пехотным командиром, Сергей Каменев усиленно изучал кавалерийское дело, участвовал во всех кавалерийских маневрах и поездках. С 26 ноября 1911 года — помощник старшего адъютанта в оперативно-мобилизационном отделе штаба Виленского военного округа. 6 декабря 1912 года был награждён орденом св. Станислава 3-й степени.
В 1914 году принимал участие в киевской военной игре, на которой разыгрывался будущий план войны.
С 4 сентября 1914 года Сергей Каменев — старший адъютант отделения генерал-квартирмейстера штаба 1-й армии. Полковник (старшинство в чине с 06.12.1915). Затем занимал должность начальника оперативного отделения штаба 1-й армии.
В 1917 году Каменеву попался сборник Григория Зиновьева и Владимира Ленина «Против течения», который, по его словам, «произвёл ошеломляющее впечатление, открыл новые горизонты». Умевший находить общий язык с солдатами, 4 апреля того же года Каменев был ими избран на должность командира 30-го пехотного Полтавского полка.
Во время июльского кризиса Временного правительства вместе с Львом Троцким Каменев был арестован. С 25 ноября 1917 года — начальник штаба 15-го армейского корпуса. До апреля 1918 года — начальник штаба 3-й армии, был выдвинут на эту должность армейским комитетом. Работал по демобилизации 3-й армии и эвакуации военного имущества. По занятии немцами Полоцка, Каменев с армейским комитетом переехал в Нижний Новгород, где завершил демобилизацию и ликвидацию 3-й армии.
С апреля 1918 в РККА. Назначен военным руководителем Невельского района Западного участка отрядов завесы. С июня 1918 г. — командир 1-й Витебской пехотной дивизии. При поддержке Л. Д. Троцкого Каменев постоянно назначался на высшие посты в РККА. С августа 1918 — военный руководитель Западного участка завесы и одновременно военрук Смоленского района. С августа (сентября) 1918 по июль 1919 года (с перерывом в мае 1919) — командующий войсками Восточного фронта. Руководил наступлением Красной армии на Волге и Урале. Здесь, при проведении оборонительных и наступательных операций против армий адмирала Колчака, ярко раскрылось его полководческое дарование. С 8 июля 1919 по апрель 1924 года — главнокомандующий вооружёнными силами Республики.
В соответствии с директивами ЦК РКП(б), В. И. Ленина под руководством Каменева осуществлялись операции по разгрому Деникина и Врангеля, отражению нападения Польши. В 1920 г. Каменев был награждён Золотым боевым оружием со знаком ордена Красного Знамени. В том же году он разработал план наступления на Польшу, но не смог его осуществить из-за недооценки сил противника, а также противодействия командования Юго-Западного фронта — А. И. Егорова и И. В. Сталина. При его участии были подавлены контрреволюционные восстания в Карелии, Бухаре, Фергане и Тамбовское восстание.
С. С. Каменев был, несомненно, способным военачальником, с воображением и способностью к риску. Ему не хватало глубины и твёрдости. Ленин потом сильно разочаровался в нём и не раз очень резко характеризовал его донесения: «Ответ глупый и местами неграмотный» (Л. Д. Троцкий, «Сталин»).
С апреля 1924 — инспектор РККА, а с марта 1925 г. — начальник штаба РККА. С ноября 1925 года — главный инспектор, а с августа 1926 года — начальник Главного управления РККА, главный руководитель цикла тактики Военной академии им. Фрунзе, одновременно с апреля 1924 по май 1927 член РВС СССР. С мая 1927 года — заместитель наркома по военным и морским делам и заместитель председателя Реввоенсовета СССР. В 1930 на XVI съезде Каменев был принят в ВКП(б). С переформированием в марте 1934 года наркомата по военным и морским делам в наркомат обороны и упразднением в июне того же года Реввоенсовета СССР ликвидированы и занимаемые Каменевым должности. 1 июля 1934 года приказом наркома обороны Сергей Сергеевич Каменев был назначен начальником Управления ПВО РККА и таким образом понижен в должности. В 1935 году Каменеву было присвоено звание командарма 1-го ранга, в то время как пятерым военачальникам, служившим во время Гражданской войны под командованием Каменева (Ворошилову, Будённому, Блюхеру, Егорову и Тухачевскому) было присвоено более высокое звание маршала.
Автор мемуаров «Записки о Гражданской войне и военном строительстве», автор воспоминаний о Ленине.
Был одним из организаторов Осоавиахима, много занимался освоением Арктики, осуществляя помощь итальянской экспедиции Умберто Нобиле и зажатому льдами «Челюскину».
Скончался 25 августа 1936 года от сердечного приступа. Урна с прахом Каменева с воинскими почестями была захоронена в Кремлевской стене.
Вскоре после смерти, на волне чисток в РККА 1937—1939 гг., Каменев был обвинён в участии в «военно-фашистском заговоре», его имя было вычеркнуто из официальной истории Гражданской войны, военные труды были преданы забвению. По результатам XX съезда КПСС С. С. Каменев был полностью реабилитирован, восстановлена его подлинная биография. Тем не менее, его вклад в историю Гражданской войны до сих пор остается недостаточно изученным.
В честь С. С. Каменева названа улица в Киеве (Печерский район)