Из дворянской семьи. Окончил Ларинскую гимназию в СПб. (1890), естественное отделение физико-математического факультета Петербургского университета с дипломом 1 степени (1896). Оставлен для подготовки к профессорскому званию. Ученик Н.П. Вагнера. В начале 1900-х состоял под негласным надзором полиции. С 1901 лаборант Особой зоологической, затем Физиологической лаборатории Имп. академии наук под руководством академика В.Ф. Овсянникова. Магистр (1907), диссертация «Экспериментальные исследования над пчелиной молью». Профессор Петербургского университета по кафедре зоологии. В 1912—16 преподавал зоологию также на физико-математическом факультете Высших (Бестужевских) женских курсов в СПб. Редактор «Известий СПб. биологической лаборатории» (1911—17). С 1915, со дня основания, ответственный редактор ж. «Природа». Один из организаторов и профессор Таврического университета в Крыму. В 1919 через Константинополь (Турция) и Варну (Болгария) уехал во Францию. В феврале 1920 один из создателей Русской академической группы в Париже. В октябре 1921 на I съезде Русских академических организаций избран председателем комиссии по вопросам о положении науки и ученых в России. В 1921—22 товарищ председателя, с октября 1922 председатель, затем (по 1930) сотрудник Русской академической группы в Париже. Член парижского комитета (группы) Партии народной свободы. Товарищ председателя Русского народного университета в Париже (с 1922). С 1923 член комитета Лиги борьбы с антисемитизмом, Комитета помощи русским писателям и ученым во Франции. Член совета Научно-философского общества в Париже (1930). Зав. лабораторией Института Пастера в Париже. Работы посвящены изучению проблем иммунитета. Разрабатывал методику опытов по бессмертию клетки. Автор более 250 научных работ. С 1943 жил в клинике для душевнобольных в Медоне, где и скончался.

Похоронен на православном кладбище в Сент-Женевьев де Буа.

Отец: Иван Михайлович. Мать: Екатерина Ивановна (ур. Фатеева; во 2-м браке Виннер). Брат: Николай (1870—1939), агробиолог. Жена: Ольга Владимировна (ур. Дмитриева). Дочери: Анна (в зам. Шупинская; 1898—1964); Екатерина; Ольга (ум. 1952).

Библ.: Материалы для библиографии русских научных трудов за рубе­жом (1920-1940) / Под ред. Е.В. Спекторского. Т. 1. Белград, 1931 № 250. С. 207—210.

Соч.: К вопросу о бессмертии простейших одноклеточных животных. Пг., 1916; Immortalité et Rajeunissement dans la Biologie moderne. P., 1924; Communisme chez les Insectes. P., 1926; Le rôle du systéme nerveux et des facteurs biologiques et psychiques dans l’immunité. P., 1932; La lutte contre la mort. P., 1937.

Лит.: Ковалевский П.Е. Наши достижения: Роль русской эми­грации в мировой науке. Вып. 1. Мюнхен, 1960. С. 21; Лосский Н.О. Воспоминания — жизнь и философский путь. Мюнхен, 1968. С. 85 и сл.; Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия: История и куль­турно-просветительная работа русского зарубежья за полвека (1920-1970). Париж, 1971. С. 82, 86, 90, 95, 122; Ульянкина Т.И. Зарождение иммунологии. М., 1994; Русское зарубежье. Золотая книга эмиграции. Первая треть XX века: Энциклопедический биографический словарь. М., 1997. С. 408—410 (авт. Т.И. Ульянкина); Серков А.И. Русское масонство. 1731-2000: Энциклопедиче­ский словарь. М., 2001. С. 542; Волков В.А., Куликова М.В. Российская профессура XVIII — начала XX вв. Биологические и медико-биологические науки: Биографический словарь. СПб., 2003. С. 307—308; Фокин С.И., Телепова М.Н., Шаварда П.А. С.И. Метальников и его парижский архив // Зарубежная Россия 1917—1945. Кн. 3. Сб. статей. СПб., 2004. С. 145—150; Лавренова О.А., Ульянкина Т.И. Переписка Н.К. Рериха и С.И. Метальникова // Русское зарубежье. 2004. № 2. С. 132—151; Фокин С.И. Разные судьбы: петербургские зоологи — эмигранты // На переломе: Отечественная наука в конце XIX — XX вв. Вып. 3. СПб., 2005. С. 237—240; Фокин С.И. Русские ученые в Неаполе. СПб., 2006. С. 195—199; Грезин И.И. Алфавитный список русских захоронений на кладбище в Сент-Женевьев де Буа. М., 2009. С. 322; Ульянкина Т.И. «Дикая историческая полоса…»: Судьбы российской научной эмиграции в Европе (1940—1950). М., 2010. С. 456—457; Negre L. Metalnikov Serge (1870—1946) // Annales de 1'Institute Pasteur. 1946. T. 72, № 11—12.

Некр.: Незабытые могилы. Российское зарубежье: Некрологи 1917—1997: В 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков и др. М., 2004. Т. 4. С. 520.