Сергей Иванович Мальцов родился в семье орловского помещика, крупного землевладельца и владельца фабрик Ивана Акимовича Мальцова и Капитолины Михайловны, урождённой Вышеславцевой. У Мальцовых был ещё сын Василий и дочь Мария, в замужестве за П. Н. Игнатьевым.

Начальное образование Сергей Иванович получил дома, после поступил в школу, где помимо гуманитарных наук усердно изучал механику, химию, физику и иностранные языки. Он прекрасно знал французский, английский, немецкий языки.

Как дворянин Сергей Иванович, достигнув определённого возраста, в силу обычая должен был служить. Он поступил в гвардию, выбрав местом службы Кавалергардский полк. Сергей Иванович был произведён в корнеты, поручики, штабс-ротмистры, ротмистры и полковники. Мальцов принимал активное участие в создании Императорского училища правоведения, инициатором учреждения которого был принц Ольденбургский.

После смерти отца Ивана Акимовича Сергей Иванович Мальцов стал крупнейшим землевладельцем, полновластным хозяином огромного промышленного района в центральной части Европейской России. В 1854 году Мальцов вступил в купеческое сословие, в первую гильдию. С. И. Мальцов получил от своего отца в наследство 1000 крепостных душ сразу в двух обширных уездах — Брянском Орловской губернии и Жиздринском соседней Калужской губернии.

В 1875 году Мальцов учредил Мальцовское промышленно-торговое товарищество с правлением в Дятькове. В 1874—1875 годах Мальцов по заказу Департамента железных дорог заключил договор на изготовление в течение шести лет 150 паровозов и 3 тысяч вагонов, платформ и угольных вагонов из отечественных материалов.

В 1882 году Мальцова объявили сумасшедшим. В начале 1883 года по дороге из Людиново в Дятьково Мальцов разбился и с тяжелой черепно-мозговой травмой полгода лечился. Тем временем его семья добилась через суд признания его недееспособным и лишила прав собственности на промышленные предприятия.

Сергей Иванович Мальцов навсегда отошёл от дел в 1884 году. Он переехал в своё крымское имение Симеиз, где занялся садоводством, выпустил второе издание писем Либиха, напечатал свои проекты 40-х годов об обеспечении народа на случай голодовок, а во время голода 1891 года написал несколько статей по этому вопросу.

Сергей Иванович Мальцов умер 21 декабря 1893 года. Отпевание происходило в Церкви Благовещения Пресвятой Богородицы. Тело его было перевезено в село Дятьково, где и погребено в фамильной усыпальнице.

В составленном в 1893 году завещании С. И. Мальцов не упомянул ни супругу, ни детей, распорядившись направить почти все оставшиеся активы на нужды Министерства народного просвещения. Однако его ближайшие родственники в судебном порядке оспорили завещание, потребовав передать им права на имение Симеиз, и через суд добились своего.

Жена Сергея Ивановича — княжна Анастасия Николаевна Урусова, фрейлина двора, дочь князя Николая Юрьевича Урусова от брака с Ириной Никитичной Хитрово. В браке имели детей: Капитолина Сергеевна, Иван Сергеевич, Мария Сергеевна, Сергей Сергеевич, Иван Сергеевич, Николай Сергеевич, Анастасия Сергеевна, Ирина Сергеевна.