Сергей Успенский родом из Можайска Московской губернии, образование он получил в московском Донском и московском Заиконоспасском духовных училищах, а в 1898 году, двадцатилетним, окончил Московскую духовную семинарию, в которой еще четыре года после окончания (до 1902) проработал надзирателем. У Сергея Успенского был очень хороший голос и артистические способности. В 1900 году он был принят без конкурса солистом Большого театра, однако жизнь артиста была ему не по душе — его привлекала духовная жизнь.
С 1901 года Сергей Успенский начал служить псаломщиком в храме Климента папы Римского на Пятницкой улице в Москве. В том же 1901 году он женился, у него было трое детей. В 1904 году митрополит Московский и Коломенский Владимир (Богоявленский) рукоположил Сергия во диаконы к московскому храму Покрова на Лыщиковой Горе. В 1910 году его переводят в храм во имя иконы Божией Матери «Неопалимая Купина», в 1917 году отца Сергия возводят в сан протодиакона, а 30 августа 1920 года он становится священником.
В 1919-1922 годы священнику приходилось совмещать церковное служение с общественной работой — начальника мобилизационного стола Службы движения Московского отделения Киево-Воронежской железной дороги. В 1924 году отца Сергия возводят в сан протоиерея и назначают настоятелем храма «Неопалимой Купины», в этом храме он служил вплоть до его закрытия. Храм был полностью уничтожен в 1929 году, кирпич храма пошел на асфальтирование московских улиц.
После этого отец Сергий служит в храме Спас-Пески на Арбате, где десятки лет служил его дядя — митрофорный протоиерей, благочинный округа и старший благочинный Москвы Сергий Успенский, скончавшийся в 1930 году. Этот храм тоже был закрыт, после чего священник стал служить в церкви Николы-на-Щепах в районе Смоленской площади. По отзывам прихожан, отец Сергий был аскетом духа в миру, добрым и отзывчивым человеком, много помогал семьям репрессированных, число которых с начала 1920-х годов только увеличивалось. Например, известно, что многие годы он содержал семью арестованного и заключенного на Соловках настоятеля храма Неопалимой Купины протоиерея Забавина. О. Сергию доверяли, и через его руки прошло много пожертвований, предназначенных на помощь репрессированным.
Попасть в число тех, кому он так помогал, вскоре предстояло и отцу Сергию. 29 января 1933 года перед поздней литургией его вызвали к больному причащать, а по выходе из храма предложили сесть в машину и увезли на Лубянку вместе со Святыми Дарами и наперсным крестом. Ему было предъявлено обвинение, что он «член контрреволюционной организации христианской молодежи, участник нелегальных собраний», что он занимается антисоветской агитацией.
10 апреля 1933 года Особое совещание при Коллегии ОГПУ СССР приговорило протоиерея Сергия Успенского к 3 годам ссылки в Северный край. Сначала он отбывал ссылку в Каргополе, затем был переведен в Вологду. Отбыв один год, священник был освобожден по болезни, ему было дано «минус 6», т.е. запрещено проживание в шести центральных областях. После освобождения он состоял за штатом в виду болезни и поселился в Можайске на иждивении сына.
В тюрьму этого города тяжело больной священник был доставлен 30 ноября 1937 года при повторном аресте. Тройка при УНКВД СССР по Московской области по обвинению во «враждебном отношении к советской власти и контрреволюционной деятельности приговорила отца Сергия Успенского к высшей мере наказания. 19 декабря 1937 года протоиерей был расстрелян на Бутовском полигоне.
Священномученик отец Сергий изображен на картине Павла Корина со знаменательным названием «Русь уходящая».