Из Голицыных-Алексеевичей, внучатый племянник Ф. И. Голицына и С. В. Гагарина. Младший сын подполковника Ивана Алексеевича Голицына (1729—1767) и Прасковьи Степановны (1734—до 1810), дочери С. В. Лопухина. Отец скончался вскоре после рождения Сергея, мальчик воспитывался в доме своего дяди кн. П. А. Голицына, сенатора и обер-егермейстера Екатерины II.
В службу записан рядовым в лейб-гвардии Измайловский полк. 1 января 1784 года произведён в прапорщики, в 1785 году — в подпоручики, в 1787 году — в поручики, в 1789 — капитан-поручики. Принимал участие в русско-шведской войне. 1 января 1791 года произведён в капитаны.
В 1799 году он вышел в отставку армии бригадиром.Большую часть времени Голицын жил в Москве в собственном доме «между Петровкой и Большой Дмитровкой, подле Кузнецкого моста» . А. Я. Булгаков, который приходился князю родственником, писал брату в 1808 году: «Чижик устраивает себе партии, и ежели чуть только игроки знакомы батюшке, зовёт их обедать; поит всех сих господ хорошими нашими винами не в мочь» В отставке находился до 1823 года, после чего был принят на службу по придворному ведомству в чине действительного статского советника и с назначением членом Московской гоф-интендантской конторы. Камергер двора Его Императорского Величества.Князь Сергей Иванович скончался 20 июня 1831 в Петербурге во время вспыхнувшей эпидемии холеры, похоронен в селе Тентелеве под Петербургом при церкви Святителя Митрофания. Княгиня Надежда Ивановна Голицына, супруга А. Ф. Голицына, писала в своих воспоминаниях: Но эпидемия всё продолжалась. Едва я переселилась к дядюшке, как там четверо умерли, а двое моих людей заболели. Целыми днями мы наблюдали одну и ту же картину: один гроб следовал за другим. Грусть и какая-то тоска овладели мною, особенно со смертью некоторых знакомых мне лиц.
В течение недели повальная болезнь унесла г-на и г-жу Ланских, с которыми я видалась почти ежедневно. Жертвами её стали князь Сергей Голицын — родственник моего мужа, граф Ланжерон, княгиня Наталья Куракина, доктор Мудров.