Сергей Владимирович родился в 1979 году в Ачинске Красноярского края.
В 2002 окончил Сибирский государственный медицинский университет по специальности «лечебное дело», затем прошёл интернатуру Красноярской государственной медицинской академии по специальности «анестезиология-реаниматология».
После интернатуры семь лет работал анестезиологом-реаниматологом в Ачинской центральной районной больнице, в 2010-м переехал в Томскую область, где работал по той же специальности в роддоме им. Семашко, областном перинатальном центре, возглавил отделение реанимации и интенсивной терапии роддома №1 Томска.
В 2013 - 2016 годах — заместитель главного врача Кожевниковской центральной районной больницы.
В 2008-м в СибГМУ получил второе высшее образование по специальности «экономика и управление в здравоохранении».
В 2016-м возглавил комитет по организации медицинской помощи департамента здравоохранения Томской области, в ноябре 2017-го стал заместителем начальника.
Начальником департамента здравоохранения Томской области Сергей Дмитриев был назначен в июле 2020 года.
Лауреат премии губернатора Томской области в области здравоохранения, отмечен благодарностью министра здравоохранения РФ.
Женат, двое дочерей.