Сергій Дмітрієв народився 29 вересня 1988 року у селі Богданівці Деражнянського району.
Закінчив школу та Деражнянський професійний аграрний ліцей.
Працював різноробочим.
У червні 2023 року Сергія мобілізували до лав ЗСУ. Воїн служив у 63-й окремій механізованій бригаді, мав військове звання «солдат».
Серце захисника зупинилось 5 березня 2026 року у лікарні міста Харкова від поранень, які він отримав у бою біля міста Лиман на Донеччині.
Сергію Дмітрієву було 37 років.
У нього залишились батьки та два брата.
Поховали Героя у селі Богданівці Хмельницької міської громади.