Сергей Васильев родился в Москве 7 (19) сентября 1827 года.
В 1844 году был принят в труппу Малого театра. Поначалу играл в водевилях, постепенно с развитием русской социально значимой драматургии перешёл на остро драматические роли.
До 1853 года Васильев сыграл 150 ролей в водевилях и только семь в русском классическом репертуаре.
16 ноября 1859 года в Малом театре в бенефис Сергея Васильевича Васильева была впервые поставлена пьеса А. Н. Островского «Гроза». Васильев исполнил роль Тихона.
Островский в одной застольной речи заявил, что в Васильеве «он нашёл самого желанного исполнителя, одного из тех исполнителей, которые редко выпадают на долю драматических писателей, и о которых они мечтают, как о счастии».
Пров Садовский назвал Васильева не только прекрасным Хлестаковым, но и «единственным».
Сергей Васильевич вынужден был уйти со сцены из-за прогрессирующей слепоты. Слепнуть он начал в 1855 году, его роли стали постепенно переходить актёру Рассказову, а последний раз на сцену вышел в роли Морковкина 27 января 1861 года, когда ему, уже слепому, был дан прощальный бенефис — См. статью Д. Коропчевского в «Ежегоднике Императорских театров» (1895—1896 годов).
17 июня 1862 года Сергей Васильевич Васильев умер.
Младший брат Павел Васильевич Васильев по примеру старшего, тоже стал актёром, работал в Малом и Александринском театрах.