Биолог С. В. Голицын родился 9 января 1897 года в крепости Осовец Гродненской губернии в семье потомственных дворян. Его отец, военный инженер, с 1904 года жил с семьей в Батумской крепости, где при доме разбил прекрасный цитрусовый сад, чайные и бамбуковые плантации. Увлечение отца предопределило в дальнейшем жизненный выбор С. В. Голицына.

Окончив Тифлисский кадетский корпус (1914), морской корпус в Петрограде (1916), С. В. Голицын служил на Балтийском флоте, участвовал в сражениях Первой мировой войны. В октябре 1917 года выехал в отпуск в Тифлис (ныне Тбилиси) к семье, в декабре был прикомандирован к штабу Кавказского фронта. После тяжелой болезни (тиф) был демобилизован и уехал в Батум.

В 1918-1924 годах С. В. Голицын работал на чайно-мандариновой плантации отца. Здесь в 1924 году он организовал Клуб Туристов Аджаристана для исследования природы края. С 1925 по 1930 годы работал в Кабинете дендрологии Наркомата земледелия АССР Аджаристана, проводил исследования по заданию Института прикладной ботаники, руководил изучением диких родичей плодовых Закавказья.

Сергею Владимировичу дважды пришлось пройти через несправедливые обвинения. В марте 1921 года он, его отец и брат были арестованы, но в 1922 году после установления «непричастности к антисоветской работе и отсутствия родственных связей с княжеской фамилией Голицыных», отпущены. В феврале 1930 года Голицыны снова были арестованы – как кулаки – и высланы из Закавказья. Через полгода их дело было пересмотрено, в декабре из Кандалакши они переехали в Воронеж.

С 1931 по 1942 годы Сергей Владимирович работал в Воронежском университете, с 1938 года был ст. научным сотрудником заповедника «Галичья гора», в 1941-1942 годах исполнял обязанности его директора.

С 1942 года – участник Великой Отечественной войны. Находясь в Волжской военной флотилии (Ульяновск), залечивая ранение в местном госпитале, начал исследование местной флоры.

В 1945 году вернулся в Воронеж, работал в Ботаническом саду ВГУ, в Воронежском государственном заповеднике. С 1953 года – ст. научный сотрудник агробиологической станции ВГУ «Галичья гора» (до 1951 года – заповедник), в 1962-1966 годах – ее директор.

С. В. Голицын внес основополагающий вклад в изучение и охрану флоры Липецкой области. Вместе со своими коллегами и студентами в предвоенные и послевоенные годы он детально обследовал бассейн Верхнего Дона и Быстрой Сосны, чётко обозначил территорию распространения реликтовых растений, которую назвал Северо-Донским ботаническим реликтовым районом. Благодаря ему к заповеднику «Галичья гора» впоследствии были присоединены новые урочища – Плющань, Быкова Шея, Воронов Камень и Морозова гора. С начала 1950-х годов организовал десятки экспедиций для изучения реликтовой флоры всей Среднерусской возвышенности. Это позволило собрать в заповеднике гербарий из 35 тысяч образцов (ныне Гербарий Среднерусской возвышенности и сопредельных территорий имени С. В. Голицына). Ученый составил и общий перечень флоры Липецкой области. Им были рекомендованы к практическому использованию пищевые и кормовые дикорастущие растения: чуфа, пырей мочковатый, волчеягодник Юлии,  лимонник китайский и др. (всего 36 видов). Доктор биологических наук (1966). С 1967 года – профессор кафедры физической географии ВГУ и одновременно научный руководитель  агробиостанции «Галичья гора».

Старший коллега С. В. Голицына в ВГУ, профессор Б. М. Козо-Полянский так оценивал своего ученика: «Исключительно талантливый, преданный своему делу, знающий и феноменально работоспособный человек», «лучший знаток флоры Центрального Черноземья на весь СССР». Одержимость любимым делом, абсолютное бескорыстие, деликатность и доверительность в отношениях с людьми привлекали к нему и к его работе молодых коллег и студентов. Многие из них в будущем стали известными биологами.

С. В. Голицыным написано более 110 научных и научно-популярных работ по истории флоры и растительности. Действительный член Всесоюзного ботанического общества (с 1953 года). Именем ученого названы два новых для науки вида растений – Береза Голицына и Ястребинка Голицына.

Умер 3 ноября 1968 года. Через год после его смерти Галичья Гора, включая все новые урочища, постановлением Совета министров РСФСР от 13 сентября 1969 года снова была объявлена государственным заповедником и подчинена Воронежскому университету. Без всякого сомнения, огромная заслуга в этом деле принадлежит С. В. Голицыну.