В 1940 году Денисов был призван на службу в армию. В 1942 году он окончил военно-политическое училище, затем курсы переподготовки комсостава. С осени 1942 года принимал участие в боевых действиях на фронтах Великой Отечественной войны. Участвовал в Сталинградской битве. С июля 1943 года гвардии лейтенант Сергей Денисов командовал артиллерийской батареей 207-го гвардейского стрелкового полка 13-й армии Центрального фронта. Особо отличился во время Курской битвы. В июле 1943 года батарея Денисова отражала атаки вражеских танковых подразделений. В одном из боев Денисов получил ранение и контузию, но поля боя не покинул, отремонтировав своими силами два орудия и продолжив сражаться. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 7 августа 1943 года за «образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом мужество и героизм» гвардии лейтенант Сергей Денисов был удостоен звания Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда». Позже Сергей Денисов участвовал в освобождении Украинской ССР, Польши, Прибалтики. В боях был дважды ранен. 19 марта1945 года Денисов погиб в бою на подступах к Кёнигсбергу. Был также награждён орденами Отечественной войны 2-й степени, Красной Звезды, медалью «За оборону Сталинграда». В честь Денисова названа улица в Старожилово, на ней ему установлен памятник