Сергей Сергеевич Каменев родился в Киеве в дворянской семье военного инженера. Он был воспитанником Киевского кадетского корпуса, который окончил в 1898 году. Затем он поступил в Александровское военное училище в Москве, которое окончил по 1-му разряду. С 1898 года начал службу в Русской императорской армии, был зачислен юнкером в Александровское военное училище. После окончания училища был произведен в подпоручики и назначен на службу в 165-й пехотный Луцкий полк в Киеве.

В 1900-1904 годах служил в полку батальонным адъютантом. В 1907 году окончил Николаевскую военную академию Генерального штаба в Санкт-Петербурге по 1-му разряду. После окончания академии был произведен в штабс-капитаны и причислен к Генеральному штабу. В 1907-1909 годах отбывал цензовое командование ротой в 165-м пехотном Луцком полку. Одновременно был внештатным преподавателем в Киевском военном училище, где преподавал тактику и топографию.

В 1914 году принимал участие в киевской военной игре, на которой разыгрывался будущий план войны. Участник Первой мировой войны. В 1917 году был назначен командиром 30-го пехотного Полтавского полка. После Октябрьской революции примкнул к большевикам и начал службу в Красной армии. В 1918 году был назначен военным руководителем Невельского района Западного участка отрядов завесы, а затем командиром 1-й Витебской пехотной дивизии.

С августа 1918 года по июль 1919 года был командующим войсками Восточного фронта, руководил наступлением Красной армии на Волге и Урале. С 1919 по 1924 год был главнокомандующим вооруженными силами Республики. В 1924-1925 годах был инспектором РККА, а затем начальником штаба РККА. В 1925-1927 годах был главным инспектором и начальником Главного управления РККА.

В 1930 году был принят в ВКП(б), а в 1934 году был делегатом на XVII съезде ВКП(б). В 1935 году был назначен начальником Управления ПВО РККА и присвоено звание командарма 1-го ранга. Скончался 25 августа 1936 года от сердечного приступа. Урна с прахом была захоронена в Кремлевской стене. В 1950-1960-х годах его дочь Наталия Сергеевна ходатайствовала о реабилитации, и в 1960-х годах табличка с именем С. С. Каменева была восстановлена на Кремлевской стене.