Сергей Дмитриев родился в Ленинграде. В 1988 году поступил в музыкальную школу № 7 (ныне - им. М. Л. Ростроповича) в класс контрабаса (преп. А. Е. Галкин). В 1992 году поступил в музыкальный колледж им. Н. А. Римского-Корсакова (класс В. С. Малинова). С 1994 продолжил обучение в Санкт-Петербургской консерватории имени Н. А. Римского-Корсакова (класс А. А. Шило) и в 2001 году закончил аспирантуру.
В 1997 году стал лауреатом международного юношеского музыкального фестиваля-конкурса "Виртуозы-2000" и победителем конкурса "Музы Санкт-Петербурга".
С 1997 по 1998 гг. работал в Государственном симфоническом оркестре Санкт-Петербурга. Затем, с 1998 по 1999 гг. – в Симфоническом оркестре Государственной академической Капеллы Санкт-Петербурга.
В 1999 году поступил в Академический симфонический оркестр Санкт-Петербургской филармонии им. Д. Д. Шостаковича.
Преподавательскую деятельность начал в 1999 году в лицее искусств "Санкт-Петербург", а с 2004 продолжил в школе "Тутти". С 2005 года преподаёт в Санкт-Петербургской государственной консерватории им. Н. А. Римского-Корсакова.