Родился 21.08.1904 г. в г. Скопине Рязанской области в семье рабочего. Русский. Член ВКП(б) с 1926 г. В 1917 г. окончил приходскую школу. В 1921 г. в Ставрополе окончил пулемётные курсы, в течение двух лет проходил здесь военную службу в должности младшего командира. В 1926 г. окончил Военную школу им. ВЦИК, в 1928 г. – 2 курса Вечернего рабочего университета, в 1937 г. – Военную академию им. М.В. Фрунзе.
В годы Великой Отечественной войны Бирюзов – командир стрелковой дивизии, начальник штаба армии Брянского фронта, начальник штаба 2-й гвардейской армии Сталинградского фронта. С 1943 г. начальник штаба Южного фронта, с 1944 г. – 3-го Украинского фронта, командующий 37-й армией, главный военный советник при Народной армии Болгарии.
За умелое руководство войсками в ходе Великой Отечественной войны 1 февраля 1958 г. Бирюзову Сергею Семёновичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда» (№ 10828).
Награждён пятью орденами Ленина, тремя орденами Красного Знамени, орденами Суворова I и II ст., орденом Кутузова I ст., Богдана Хмельницкого I ст., медалями, девятью орденами и медалями иностранных государств.
После войны Бирюзов С.С. – командующий войсками Приморского военного округа, Главком Центральной группы войск, Главком войск ПВО – заместитель министра обороны. С 1955 г. главком войск ПВО страны – заместитель министра обороны СССР. Маршал Советского Союза (1955 г.). С 1962 г. Главком ракетных войск стратегического назначения. В 1963-1964 гг. начальник Генерального штаба, первый заместитель министра обороны страны. Член ЦК КПСС с 1961 г. Депутат Верховного Совета СССР 2, 4-6 созывов. Народный Герой Югославии.
Погиб в авиакатастрофе в Югославии 19 октября 1964 г. Похоронен в Москве на Красной площади у Кремлевской стены.
В 1965 г. в ознаменование 20-летия победы советского народа над фашистской Германией 6-я улица Октябрьского Поля Москвы переименована в улицу маршала Бирюзова. На улице, носящей имя С.С. Бирюзова в Москве, установлен обелиск.
В честь С. С. Бирюзова также названы улицы в Белграде, Минске, Рязани, Новороссийске, Тюмени, Полтаве, Донецке, Судаке, Севастополе, Саратове, Караганде, Одинцове и Ряжске. Бюст Героя и мемориальная доска установлены в г. Скопин. Имя маршала Бирюзова носили: Рижское высшее военно-политическое училище, пионерская дружина Школы №147 г. Москвы. С конца 1960-х годов имя маршала Бирюзова («Maršala Birjuzova») носит Стара Космайска («Stara Kosmajska») улица в Белграде. Почетный гражданин Белграда и Софии. На месте гибели, на горе Авала близ Белграда, установлен памятник советским ветеранам войны. В июле 1966 г. со стапелей верфи Brodosplit в Югославии (сейчас в Хорватии) спущен танкер «Maršal Birjuzov» дедвейтом 20800 тонн, изготовленный по заказу внешнеэкономического объединения «Судоимпорт» (СССР).