Сергей Николаевич Виноградский родился 1 сентября 1856 года в Киеве. Он был сыном крупного землевладельца, учредителя Киевского земельного банка Николая Константиновича Виноградского и жены его Натальи Викторовны Скоропадской. В 1873 году Виноградский окончил 2-ю Киевскую гимназию и поступил на юридический факультет Киевского университета. Однако уже через месяц он перешел на естественное отделение физико-математического факультета. Через два года, не удовлетворенный занятиями, он оставил университет и поступил в Петербургскую консерваторию в класс фортепиано, где получил музыкальное образование.

В 1877 году Виноградский поступил на второй курс естественного отделения физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета. После его окончания в 1881 году он посвятил себя микробиологии и в 1885 году уехал для дальнейшего обучения в Страсбург к Антону де Бари. В 1887-1888 годах, работая в лаборатории Антона де Бари, Виноградский впервые показал возможность получения энергии за счет окисления сероводорода и использования ее для ассимиляции углекислого газа, открыв таким образом хемосинтез. После смерти Антона де Бари в 1888 году Виноградский продолжил работу в институте гигиены университета в Цюрихе.

В 1894 году Виноградский стал членом-корреспондентом Императорской Санкт-Петербургской АН, а в 1895 году выделил первую азотфиксирующую бактерию Clostridium pasteurianum. В 1899 году он вернулся в Санкт-Петербург, где работал в Институте экспериментальной медицины. В 1902 году Виноградский получил докторскую степень и с этого времени по 1905 год был директором института. В 1905 году по состоянию здоровья он покинул институт и переехал в Городок, где обратился к проблемам земледелия и почвоведения. После революции 1917 года Виноградский уехал сначала в Швейцарию, а затем в Белград. В 1922 году он создал при институте Пастера отдел сельскохозяйственной биологии, которым руководил до своей смерти в 1953 году.

Сергей Николаевич Виноградский был женат на Зинаиде Александровне, урождённой Тихоцкой, и имел четырех дочерей: Зинаиду, Татьяну, Екатерину и Елену. Его любовницей была Луиза Циллвегер, от которой у него родилась дочь Зинаида Александровна Рубашкина. Виноградский был иностранным членом Лондонского королевского общества и Французской академии наук, а также почетным членом Российской АН. Он опубликовал несколько книг, включая "Микробиологию почвы, проблемы и методы", и посвятил свою последнюю научную работу систематике бактерий. В 2003 году имя ученого было присвоено Институту микробиологии РАН.