Сергей Александрович Меженинов родился 17 (29) января 1890 года в Кашире, в семье потомственных дворян Тульской губернии. Он окончил курс наук во 2-м Московском кадетском корпусе. В военную службу вступил в сентябре 1908 года юнкером Казанского военного училища, курс которого закончил по 1-му разряду и 1-й категории, 6 августа 1910 года произведен в подпоручики и выпущен в Лейб-гвардии Литовский полк, расквартированный в Варшаве.

В октябре 1913 года, выдержав вступительный экзамен, был зачислен слушателем в младший класс Императорской Николаевской военной академии; летом следующего года переведен в старший класс Академии. Участник Первой мировой войны. В июле 1914 года, в связи объявлением мобилизации и прекращением учебного процесса в Академии, откомандирован в свой полк. Принимал участие в боевых действиях в Восточной Пруссии. 27 августа 1914 года был тяжело ранен и эвакуирован в московский госпиталь. В декабре 1914 года произведен в поручики. После выздоровления вернулся в свою часть.

В апреле 1918 года Меженинов добровольно вступил в Красную армию Советской России, с августа 1918 года в качестве военспеца принимал участие в Гражданской войне на стороне «красных». С 19 сентября по 11 октября 1918 года занимал посты начальника штаба 4-й армии, а с 3 декабря 1918 по 31 января 1919 года — начальника штаба 8-й армии. С начала весеннего наступления «белых» по август 1919 года командовал 3-й армией, воевавшей против Сибирской армии. Меженинов являлся одним из главных руководителей Екатеринбургской операции, проходившей в июле 1919 года. С сентября 1919 по июль 1920 года командовал 12-й армией.

С декабря 1921 по ноябрь 1924 года работал начальником штаба и 1-м заместителем начальника Главного управления воздушного флота, с 1924 по 1925 годы — начальником штаба Украинского военного округа, а с 1925 по 1931 годы — помощником и заместителем начальника ВВС. В 1931 году вступил в ВКП(б). С 1932 по 1933 год начальник штаба Управления ВВС, с 1933 по 1937 год — заместитель начальника штаба РККА и член Военного совета Народного комиссариата обороны СССР. Курировал работу Разведывательного управления РККА.

В июне 1937 года Меженинов совершил попытку самоубийства, объяснив в посмертной записке свой поступок утерей важного документа. После двух выстрелов в себя остался жив и был помещён в больницу. По допросам своих коллег — сотрудников разведки Меженинов был обвинён в шпионаже в пользу Германии и 20 июня 1937 года был арестован. 28 сентября 1937 года был приговорён к расстрелу, и в тот же вечер приговор был приведён в исполнение. Похоронен в Москве на Новом Донском кладбище, в общей могиле. В 1957 году Меженинов был реабилитирован за отсутствием состава преступления.