Родился 4 ноября 1900 г. в Москве в семье начальника городского отделения общего архива Главного штаба Русской императорской армии Дмитрия Васильевича Васильева (1838-1907).
Военная служба, образование
В 1908-1910 гг. Сергей Васильев учился в Керченской гимназии, в 1910-1915 гг. - в гимназии Петра Великого (Петроград, до 1914 г. - Санкт-Петербург).
В 1915 г. ушел добровольцем в действующую армию, первоначально служил на санитарном поезде. С января 1916 г. - младший унтер-офицер 87-го пехотного Нейшлотского полка, исполнял обязанности начальника команды конных разведчиков. Был контужен в бою под Ригой (ныне столица Латвийской Республики).
В 1917 г. в связи с отпуском по ранению вернулся в Петроград. Примкнул к Красной гвардии, в октябре участвовал в революционных событиях в городе.
В годы Гражданской войны Сергей Васильев сменил ряд должностей. В мае - сентябре 1918 г. командовал отдельным красноармейским эскадроном при штабе Юго-Восточного фронта. В сентябре 1918 г., вернувшись в Петроград, был назначен начальником отряда связи при Народном комиссариате просвещения Союза коммун Северной области (существовал с мая 1918 г. по февраль 1919 г.). В качестве начальника охраны сопровождал в поездках наркома просвещения Анатолия Луначарского.
В 1919 г. состоял командиром отдельной самокатной роты особого назначения при Штабе начальника внутренней обороны Петрограда (обеспечивала связь Смольного с военными частями и районами города), затем служил инструктором строевого отдела Петроградского военного округа.
В 1920 г. в составе сформированного в Петрограде военного аппарата был направлен на Украину. Служил адъютантом в Одесском губернском военном комиссариате, являлся уполномоченным комиссии по борьбе с дезертирством. Командовал эскадроном особого назначения. По возвращении в Петроград стал адъютантом в Управлении коменданта города.
В 1921 г. Сергей Васильев с разрешения командования поступил в Петроградский институт (с 1923 г. техникум) экранного искусства (в 1925 г. присоединен к Государственному фотокинотехникуму, ныне Санкт-Петербургский государственный институт кино и телевидения). В годы учебы также служил адъютантом. Окончил техникум в 1924 г. одновременно по актерскому и режиссерскому отделениям. В том же году был демобилизован.
Работа в кинематографе
В первой половине 1920-х гг. Сергей Васильев исполнил эпизодические роли в фильмах "Дворец и крепость" (1923, режиссер Александр Ивановский), "Красные партизаны" (1924, Вячеслав Висковский) и "Степан Халтурин" (1925, Александр Ивановский).
В 1924 г. стал редактором-монтажером московского отделения ленинградской киностудии "Севзапкино" (ныне "Ленфильм"). В 1925 г. оно вошло в состав объединения "Совкино". В той же организации работал его однофамилец редактор-монтажер Георгий Васильев (1899-1946). Сергей и Георгий Васильевы совместно редактировали зарубежные фильмы, занимались переводом титров.
В 1928 г. Васильевы дебютировали в качестве кинорежиссеров, подготовив полнометражный документальный фильм "Подвиг во льдах". Он был посвящен арктическому походу ледоколов "Красин" и "Малыгин" с целью поисков экипажа дирижабля "Италия".
В 1929 г. Сергей Васильев выпустил книгу "Монтаж кинокартины". В том же году вместе с Георгием Васильевым был переведен на работу в ленинградское отделение "Совкино".
В 1930 г. режиссеры сняли игровой фильм "Спящая красавица". При этом они выступили под общим псевдонимом братья Васильевы, который использовали в дальнейшем творчестве.
В 1932 г. поставили драму "Личное дело".
Широкую известность кинематографистам принес биографический фильм "Чапаев" (1934). Заглавную роль начальника дивизии Рабоче-крестьянской Красной армии в нем исполнил актер Борис Бабочкин.
В 1935 г. Сергей и Георгий Васильевы были приняты в Союз писателей СССР.
В 1937 г. братья Васильевы сняли историко-революционный фильм "Волочаевские дни".
С 1940 г. они являлись членами художественного совета "Ленфильма".
С осени 1941 г. по весну 1944 г. Георгий и Сергей Васильевы работали на Центральной объединенной киностудии (ЦОКС) в Алма-Ате (Казахская ССР, ныне Республика Казахстан), последний в 1943-1944 гг. занимал должность ее художественного руководителя.
В 1942 г. вышла их кинокартина "Оборона Царицына".
В 1943 г. братья Васильевы сняли на ЦОКС военную драму "Фронт" по пьесе Александра Корнейчука. Эта картина стала последней в их совместном творчестве (через три года Георгий Васильев скончался от туберкулеза).
В 1944-1949 гг. Сергей Васильев являлся художественным руководителем, в 1955-1957 гг. - директором киностудии "Ленфильм". С 1946 г. входил в состав художественного совета Министерства кинематографии СССР (существовало до 1953 г.).
В 1954 г. он поставил фильм "Герои Шипки", снятый совместно с болгарскими кинематографистами. Картина повествовала о событиях русско-турецкой войны 1877-1878 гг. и освобождении болгар от османского ига.
В 1957 г. Сергей Васильев был избран председателем организационного бюро Ленинградского отделения Союза кинематографистов СССР.
Последним фильмом режиссера стала историко-революционная драма "В дни Октября" по произведению Джона Рида "Десять дней, которые потрясли мир" (1958).
Сергей Васильев скончался 16 декабря 1959 г. в Москве на 60-м году жизни. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
Звания, награды
Заслуженный деятель искусств РСФСР (1940). Народный артист СССР (1948).
Был награжден орденами Ленина (1935, 1950), Красной Звезды (1944), Трудового Красного Знамени (1954), медалью "За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг." (1945).
Двукратный лауреат Сталинской премии I степени (1941, 1942).
Обладатель приза за лучшую режиссуру Каннского фестиваля (Франция, 1955; "Герои Шипки").
Личные сведения
Сергей Васильев был трижды женат. Первая супруга, актриса Наталья Васильева, погибла в 1931 г. в возрасте 29 лет. В 1930-1947 гг. супругой режиссера была заслуженная артистка РСФСР Варвара Мясникова (1900-1978). В 1937 г. в семье родилась дочь Варвара. С 1947 г. Сергей Васильев был женат на актрисе Галине Водяницкой (1918-2007). В 1950 г. в семье родилась дочь Татьяна.