Сергей Васильев был поздним шестым ребёнком в семье начальника Московского отделения Общего архива Главного штаба Дмитрия Васильевича Васильева (1838—1907). Отец происходил из мещан Нижегородской губернии, прошёл весь путь от рядового до действительного статского советника, во время Русско-турецкой войны 1877—1878 годов служил в канцелярии штаба под началом генерала Дмитрия Скобелева. За службу был удостоен потомственного дворянства с характеристикой «Имения родового или благоприобретённого ни за ним, ни за его женою по послужному списку не значится», что сказалось на скромной пенсии.
С 1924 по 1928 год Сергей Васильев работал редактором-монтажёром московского отделения фабрики «Севзапкино», которое в 1925 году объединили с киноорганизацей «Госкино» в «Совкино». Сотрудником «Госкино» был Георгий Васильев. Вместе они пять лет проработали в одной монтажной комнате, занимаясь перемонтажом зарубежных фильмов.
В 1928 году на Ленинградской фабрике «Совкино» вышел их первый совместный документальный фильм «Подвиг во льдах». В 1929 году Сергей Васильев написал книгу «Монтаж кинокартины». Читал лекции по монтажу на режиссёрских курсах при киностудии (1930).
С 1930 по 1943 год друзья работали в художественном кино в качестве режиссёров и сценаристов под творческим псевдонимом братья Васильевы. Фильм «Чапаев» (1934) стал одной из самых успешных картин своего времени: в год выхода его посмотрело более 30 миллионов человек. В 1935 году режиссёры были удостоены ордена Ленина, а Сергей Васильев был принят в члены Союза писателей СССР.
Во время Великой Отечественной войны (1943—1944) работал художественным руководителем Центральной объединённой киностудии (ЦОКС) в Алма-Ате, где трудились эвакуированные кинематографисты с разных киностудий.
В 1944—1949 годах — художественный руководитель, а в 1955—1957 — директор киностудии «Ленфильм». Возглавлял Ленинградское отделение Союза кинематографистов СССР.
