Родился 8 августа 1904 года в городе Скопин Рязанской области.

На военной службе с 1922 года. Окончил Военную Школу им. ВЦИК (1926), Военную академию имени М. В. Фрунзе (1937). С 1926 года - командир взвода, роты, батальона. По окончании академии с 1937 года - начальник штаба стрелковой дивизии, затем начальник оперативного отдела штаба ХВО. С 1939 года – командир стрелковой дивизии.

В начале Великой Отечественной войны дивизия под его командованием вела боевые действия на Юго-Западном и Брянском фронтах. С мая 1942 года возглавил штаб 48-й армии Брянского фронта, в декабре того же года назначен начальником штаба сформированной в составе резерва Ставки 2-й гвардейской армии, участвовал в подготовке и планировании операции по разгрому группировки противника, пытавшейся ударом из района Котельниковского деблокировать окружённые под Сталинградом германские войска.

С апреля 1943 года – начальник штаба Южного фронта (с 20 октября - 4-й Украинский фронт). В этой должности ярко проявились его организаторские способности при подготовке операций по освобождению Донбасса, Северной Таврии и Крыма. С.С. Бирюзов участвовал в организации и проведении Миусской, Мелитопольской (1943) и Никопольско-Криворожской (1944) операций, в результате которых противнику нанесены тяжёлые поражения.

При разработке плана Крымской операции 1944 года штаб 4-го Украинского фронта, руководимый С.С. Бирюзовым, внёс предложение сосредоточить основные усилия на сивашском направлении, что позволило уже в первые дни наступления выйти в тыл оборонительных позиций противника, оборудованных на Перекопском перешейке. В ходе этой операции С.С. Бирюзов организовал твёрдое управление армиями фронта и обеспечил их тесное взаимодействие при штурме Севастополя.

С мая 1944 года - начальник штаба 3-го Украинского фронта, участвовал в разработке плана Ясско-Кишинёвской наступательной операции 1944 года; подготовил и провёл широкую программу мероприятий по оперативной маскировке войск; успешно организовал взаимодействие с войсками 2-го Украинского. фронта и силами ВМФ, а также обеспечил бесперебойное управление войсками фронта при освобождении Румынии и Болгарии. С октября 1944 года - командующий 37-й армией и главный военный советник при болгарской армии.

За умелое руководство войсками в ходе Великой Отечественной войны и проявленное мужество С.С. Бирюзову присвоено звание Героя Советского Союза. После войны - заместитель главнокомандующего Южной группой войск, заместитель председателя Союзной контрольной комиссии в Болгарии (1946-1947), командующий войсками Приморского ВО (1947-1953), главнокомандующий Центральной группой войск (1953-1954), 1-й заместитель главнокомандующего Войсками ПВО страны (1954-1955), главнокомандующий Войсками ПВО страны - заместитель министра обороны (1955- 1962), главнокомандующий РВСН — заместитель министра обороны (1962—1963), начальник Генштаба ВС - 1-й заместитель министра обороны СССР (1963—1964).

Находясь на ответственных постах в ВС, С.С. Бирюзов многое сделал для становления и развития Войск ПВО страны и Ракетных войск стратегического назначения. Он лично руководил подготовкой и проведением ряда крупных учений; непосредственно участвовал в разработке и внедрении новых принципов организации и боевого применения различных видов ВС и родов войск. С.С. Бирюзов - автор и редактор ряда военно-научных трудов. Депутат Верховного Совета СССР II, IV - VI созывов.

Награждён пятью орденами Ленина, тремя орденами Красного Знамени, орденами Суворова I степени, Кутузова I степени, Богдана Хмельницкого I степени, Суворова II степени, медалями, иностранными орденами.

Погиб в авиационной катастрофе около Белграда. Похоронен в Москве.