Родился 13 июля 1917 г. (по старому стилю 30 июня 1917 г.) в поселке станции Синельниково Павлоградского уезда Екатеринославской губернии Российской империи (ныне город в Днепропетровской обл. Украины).
В 1935 г. поступил в Запорожский индустриальный институт, однако в 1937 г. перевелся Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина (ныне Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого). Окончил этот вуз в 1941 г. по специальности "Автомобили и тракторы".
Доктор технических наук (1968).
После выпуска из института был распределен на завод №451, на должность инженера-конструктора в конструкторском бюро авиационных двигателей жидкостного охлаждения под руководством Владимира Климова (1892-1962). После начала Великой Отечественной войны бюро было эвакуировано в Уфу. В 1941-1946 гг. Сергей Изотов работал конструктором, заместителем начальника конструкторского отдела на уфимском авиамоторном заводе №26
В 1946 г. вместе с частью уфимского КБ под началом Владимира Климова Сергей Изотов перешел в опытно-конструкторское бюро ленинградского завода №117 (ОКБ-117, ныне АО "ОДК-Климов" в составе "Объединенной двигателестроительной корпорации" под управлением госкорпорации "Ростех"). Участвовал в создании реактивных двигателей РД-10, ВК-1 и др., которые устанавливались на ранние советские реактивные боевые самолеты.
С 1960 г., после ухода на пенсию Владимира Климова, занимал должность главного конструктора и директора государственного машиностроительного завода №117 (с 1963 г. - Машиностроительный завод им. В. Я. Климова), а с 1981 г. - генерального конструктора этого предприятия, именовавшегося тогда Ленинградским научно-производственным объединением им. В. Я. Климова.
Под руководством Сергея Изотова конструкторское бюро перешло на новую специализацию - создание газотурбинных двигателей (ГТД) для вертолетов. В 1960-1980-х гг. были созданы ГТД и редукторы для массово выпускавшихся советских вертолетов Ми-2 и Ми-8, турбовальные двигатели для вертолетов Ми-17, Ка-32 и др., а также газотурбинные двигатели танков Т-80Б, Т-80БВ, Т-80У, жидкостные реактивные двигатели межконтинентальных баллистических ракет, турбовентиляторные двигатели РД-33 и РД-35 для истребителя МиГ-29. Кроме того, в конце 1970-х гг. КБ Сергея Изотова участвовало в создании двигателя для нереализованного проекта орбитального самолета "Спираль".
Основные научные труды конструктора касались исследований внутренних процессов в турбовинтовых двигателях, вопросов регулирования двигателей со свободной силовой турбиной в двухдвигательной силовой установке.
Сергей Изотов скончался 6 мая 1983 г. в Ленинграде на 66-м году жизни. Похоронен на Богословском кладбище Санкт-Петербурга.
Закрытым указом Президиума Верховного Совета СССР от 29 августа 1969 г. Сергею Изотову было присвоено звание Героя Социалистического Труда с вручением ордена Ленина и золотой медали "Серп и Молот". Лауреат Сталинской премии (1949), Государственной премии СССР (1971) и Ленинской премии (1976).
Заслуженный деятель науки и техники РСФСР.
Сергей Изотов был женат, его сын Петр Изотов (1942-2008) тоже был конструктором авиационных двигателей, главным конструктором вертолетного двигателя ТВ3-117.
Бюст Сергея Изотова в 2017 г. установлен на территории АО "ОДК-Климов" в Санкт-Петербурге. Мемориальные доски размещены на зданиях Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого и завода им. В. Я. Климова в Санкт-Петербурге.