Родился 17 мая 1820 г. (5 мая по старому стилю) в Москве в семье протоиерея Михаила Васильевича Соловьева (1791-1861), преподавателя Закона Божьего в Московском коммерческом училище.
В 1828-1833 гг. Сергей Соловьев учился в Московском духовном училище, затем перешел в 1-ю Московскую гимназию, где завершил обучение в 1838 г.
В 1842 г. окончил историко-филологическое отделение философского факультета Императорского Московского университета. Его преподавателями были историки Михаил Погодин, Тимофей Грановский, историк литературы Степан Шевырев и др. В университете Сергей Соловьев входил в кружок будущего литературного критика Аполлона Григорьева, где общался с Афанасием Фетом (стал одним из самых известных русских поэтов XIX века), Константином Кавелиным (позднее - крупнейший русский историк) и др.
После окончания университета Сергей Соловьев принял предложение поехать за границу в качестве домашнего учителя в семье графа Александра Строганова. В 1842-1844 гг. историк слушал лекции ведущих европейских ученых в университетах Франции, Германии, Австрии и Бельгии.
В 1845 г. в Московском университете защитил магистерскую диссертацию на тему "Об отношениях Новгорода к великим князьям", в 1847 г. - докторскую диссертацию на тему "История отношений между русскими князьями Рюрикова дома".
Академик Императорской Санкт-Петербургской академии наук (1872).
С 1845 по 1877 г. преподавал русскую историю в Московском университете, был адъюнктом (с 1845 г.), экстраординарным (с 1847 г.), ординарным (с 1850 г.), заслуженным (с 1870 г.) профессором. Также занимался историей с цесаревичами Николаем и Александром Александровичами (будущий император Александр III), читал лекции великому князю Сергею Александровичу.
В 1851 г. вышел первый том главного научного труда Сергея Соловьева - "Истории России с древнейших времен". Эта работа принесла ему всероссийскую и европейскую известность. Всего было написано 29 томов, охватывавших историю Отечества с момента формирования Древнерусского государства и до правления Екатерины II (до 1780 г.). Последний, 29-й том, вышел посмертно в 1879 г.
Сергей Соловьев (вместе с Константином Кавелиным) был одним из основоположников государственной школы в российской историографии. Он представлял историю России как единый, закономерно развивающийся процесс, в котором решающее значение имели колонизация новых земель, возникновение новых городов, изменение взгляда князей на собственность и характер своей власти. Своеобразие российской истории Соловьев объяснял тремя факторами: "природой страны" (природно-географическими особенностями), "природой племени" (этно-культурным своеобразием русского народа) и "ходом внешних событий" (внешнеполитическими причинами). Общественный прогресс историк связывал с переходом от родового строя к государственному, который считал высшей формой исторического развития народа. Сергей Соловьев был противником норманнской теории происхождения Древнерусского государства, становление российской государственности он связывал с деятельностью великого князя Владимирского Андрея Боголюбского. Как последовательный западник положительно оценивал реформы императора Петра I, доказывал историческую неизбежность преобразований начала XVIII века и сближения России с Западной Европой. Работы Сергея Соловьева оказали большое влияние на развитие российской историографии второй половины XIX-ХХ веков, его ученики Константин Бестужев-Рюмин и Василий Ключевский возглавили соответственно петербургскую и московскую исторические школы.
В 1855-1869 гг. Сергей Соловьев был деканом историко-филологического факультета, в 1871-1877 гг. - ректором Московского университета и одновременно директором Оружейной палаты в Кремле (1870-1879). За время ректорства Соловьева в университете были открыты первые в России высшие женские курсы, произошло разделение историко-филологического факультета на отделения классической филологии, славянской филологии и исторических наук. В 1877 г. в связи с несогласием с политикой властей по ограничению университетской автономии Сергей Соловьев вышел в отставку.
В 1879 г. он возглавил Общество истории и древностей российских.
16 (4) октября 1879 г. Сергей Михайлович Соловьев скончался в Москве и был похоронен на Новодевичьем кладбище.
Имел чин тайного советника (1871).
Был награжден несколькими российскими орденами высших степеней, в том числе орденом Белого Орла.
Помимо 29-томной "Истории России с древнейших времен" опубликовал работы "Писатели русской истории XVIII века" (1855), "История падения Польши" (1863), "Публичные чтения о Петре Великом" (1872), "Император Александр Первый. Политика, Дипломатия" (1877), а также популярные учебные пособия "Учебная книга по русской истории" (1859), "Курс новой истории" (1869-1873), "Общедоступные чтения о русской истории" (1874) и др.
Сергей Соловьев был женат на Поликсене Владимировне Соловьевой (урожденной Романовой). В браке с ней родились 12 детей, четверо из которых умерли в раннем возрасте. Старший сын Всеволод (1849-1903) стал автором исторических романов, второй сын, Владимир (1853-1900), - философом и поэтом, третий, Михаил (1862-1903), - педагогом и переводчиком. Дочь Мария (1863-1919) получила известность как детская писательница и мемуаристка, другая дочь - Поликсена (1867-1924) - стала поэтессой и художницей.