Родился 19 мая 1979 года в г. Ачинске Красноярского края.

В 2002 году окончил Томский Сибирский ордена Трудового Красного Знамени медицинский университет по специальности «Лечебное дело».

После окончания университета проходил интернатуру в Красноярской медицинской академии, а с 2003 по 2010 годы работал в МБУЗ «Ачинская центральная районная больница» в должности врача – анестезиолога-реаниматолога.

В 2008 году окончил Сибирский государственный медицинский университет Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию по специальности «Экономика и управление на предприятии (в здравоохранении)».

В 2010-2011 гг. – врач – анестезиолог-реаниматолог лечебно-профилактического медицинского учреждения «Родильный дом им. Н.А.Семашко».

2011-2012 гг. - врач – анестезиолог-реаниматолог ОГАУЗ «Областной перинатальный центр».

В 2012-2013 гг. возглавил отделение реанимации и интенсивной терапии Медицинского бюджетного лечебно-профилактического учреждения «Родильный дом № 1».

2013-2016 гг. – заместитель главного врача Кожевниковской центральной районной больницы Томской области.

В 2016 году Сергей Дмитриев возглавил комитет по организации медицинской помощи Департамента здравоохранения Томской области, а в ноябре 2017-го стал заместителем начальника ведомства. В июне 2020 года чиновника назначили руководителем томского Депздрава.

С 1 августа 2024 года является и.о. министра здравоохранения Калининградской области.