Из дворянской семьи. Окончил 2-ю киевскую классическую гимназию с золотой медалью (1866—73). Учился на юридическом (1873) и естественном отделении физико-матетатического факультетах Университета св. Владимира в Киеве (1875), Петербургской консерватории (фортепианный класс), на естественном отделении физико-математического факультета Петербургского университета (1877—81). Оставлен для подготовки к профессорскому званию. В лаборатории профессора А.С. Фаминцына занимался физиологией растений. С осени 1888 начал исследования в Цюрихской лаборатории санитарии и гигиены, которые ознаменовались серией классических работ о микроорганизмах, отвечающих за нитрофикацию в природе. С осени 1891 жил в СПб. Зав. отделом общей микробиологии Института экспериментальной медицины. В 1892 защитил докторскую диссертацию по ботанике в Харьковском университете (без представления). С 3 декабря 1894 член-корреспондент Императорской академии наук в СПб. по биологическому разряду Физико-математического отделения. Первый ответственный редактор ж. «Архив биологических наук». В декабре 1896 в актовой речи на общем собрании членов ИЭМ «О роли микробов в общем круговороте жизни» изложил идею о постоянном взаимодействии живой материи и неорганической природы. С 1897 участвовал в работе Особой комиссии для предупреждения занесения чумной заразы и борьбы с нею в случае ее появления в России. В 1903 основал Микробиологическое общество, его председатель (1903—05). С лета 1902 директор Института экспериментальной медицины в СПб. (фактически до лета 1905 и номинально до 1912). После ухода с поста директора постоянно жил в своих поместьях на Украине, проводя зимы в Швейцарии. Полностью отошел от научной работы. Развернул экспериментальный питомник для ценных пород деревьев, организовал первоклассную конюшню и молочную ферму, построил фабрику по переработке сахарной свеклы, мукомольные мельницы и т. п. 12 января 1920 на борту французского военного корабля «Дюмон Дюрвиль» эмигрировал из Одессы в Марсель (Франция), оттуда добрался до своей виллы в Швейцарии. Еще до отъезда получил приглашение из Белграда (Королевство сербов, хорватов и словенцев) занять должность профессора Сельскохозяйственного института при университете, однако из-за отсутствия необходимых условий для работы отказался читать курс, но работал по микробиологии. По приглашению директора Пастеровского института Э. Ру переехал во Францию, организовал при институте отделение сельскохозяйственной бактериологии (Бри-Комт-Робер, в 30 км от Парижа). С 1924 член-корреспондент Французской академии наук; с 1926 член Лондонского королевского общества. Почетный член французского Национального сельскохозяйственного общества, Немецкого ботанического общества, Королевской сельскохозяйственной академии Швеции, Туринской медицинской академии и др. 7 декабря 1923 единогласно избран почетным членом Российской академии наук. Занимался методами изучения микробиологической популяции в почве и характера этой популяции, прямым микроскопическим изучением почвы.

В годы Второй мировой войны жил в Бри-Конт-Робер под Парижем. Похоронен здесь же.

Отец: Николай Константинович (1823—1877), землевладелец, директор Киевского частного коммерческого банка. Мать: Наталья Викторовна (1835—1916), из младшей ветви рода Скоропадских. Братья: Александр (1855—1912), банкир, председатель Киевского отделения имп. Русского музыкального общества, дирижер; Николай (1864—1878). Сестра: Мария (1860—1903, в 1-м браке Казимир, во 2-м — Ушинская) Жена: Зинаида Александровна (ур. Тихоцкая; 1860—1939). Дочери: Зинаида, Татьяна, Екатерина, Елена (1890—1957), микробиолог, ассистент и соавтор поздних работ отца.

Библ.: Материалы для библиографии русских научных трудов за рубежом (1920—1940) / Под ред. Е.В. Спекторского. Т. 1. Белград, 1931. № 86. С. 68—69.

Соч.: Микробиология почвы. Проблемы и методы. 50 лет исследований. М., 1952; Beitrage zur Morphologic und Physiologic der Bakterien. (I. Zur Morphologie und Physiologic der Schwefelbakterien). Lpz., 1888; Microbiologie du sol. Problems et methods. Cinquante ans de recherches. P., 1949.

Восп.: Отъезд. Из «Летописи нашей жизни» // Природа. 2006. № 7. С. 65—69; «Свою профессиональную роль надо было играть по-прежнему» / Подг. текста и комм. Г.А. Савиной // Исторический архив. 2006. № 5. С. 147—166; Виноградский С.Н. Летопись нашей жизни. М., 2013.

Лит.: Омелянский В.Л. Сергей Николаевич Виноградский // Архив биологических наук. 1927. Т. 27. Вып. 1/3. С. 11—36; Исаченко Б.Л. Сергей Николаевич Виноградский // Исаченко  Б.Л.  Избранные труды. М.; Л., 1951.  Т. 2. С. 285—289; Имшенецкий А.А. С.Н. Виноградский и его творчество // Виноградский С.Н. Микробиология почвы: Проблемы и методы: Пятьдесят лет исследований. М., 1952. С. 3—18; Ковалевский П.Е. Наши достижения. Роль русской эмиграции в мировой науке. Вып. 1. Мюнхен, 1960. С. 17; Ковалевский П.Е. Зарубежная Россия: История и культурно-просветительная работа русского зарубежья за полвека (1920—1970). Париж, 1971. С. 86, 121, 341; Заварзин Г.А. Сергей Николаевич Виноградский (1856—1953) // Хемосинтез. М., 1989. С. 5—21; Русское зарубежье. Золотая книга эмиграции. Первая треть ХХ века: Энциклопедический биографический словарь / Под общей ред. В.В. Шелохаева. М., 1997. С. 148—150 (авт. Т.И. Ульянкина); Голиков Ю.П., Мазинг Ю.А. От директора к директору // Институт экспериментальной медицины на рубеже тысячелетий. СПб., 2000. С. 14—17; Заварзин Г.А. Сергей Николаевич Виноградский в эмиграции // Российская научная эмиграция: двадцать портретов. М., 2001. С. 205—221; Рассказы о великом бактериологе С.Н. Виноградском. СПб., 2002; Эккерт Л. Экологический подход Сергея Николаевича Виноградского к изучению микробиологии почвы (1920—1940 гг.) // Эволюционная биология: история и теория. Вып. 3. СПб., 2005; Савина Г.А. От публикатора «Летописи…» // Природа. 2006. № 7. С. 63—65; Голиков Ю.П. Хроника жизни // Там же. С. 60—63; Российское зарубежье во Франции. 1919—2000: Биографический словарь: В 3-х т. Т. 1. М., 2008. С. 283; Заварзин Г.А. Три жизни великого микробиолога: Документальная повесть о Сергее Николаевиче Виноградском. М., 2009; Courrier R. Notice sur la vie et les travaux de Serge Vinogradsky. P., 1956; Raymond B., Jones J.D. The Russian Diaspora, 1917—1941. Lanham, 2000. P. 228—229.

Некр.: Незабытые могилы. Российское зарубежье: Некрологи 1917—1997: В 6 т. / Сост. В.Н. Чуваков. М., 1999. Т. 1. С. 571—572; Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. L., 1953.