Сергей Мальцов родился в семье орловского помещика, крупного землевладельца и владельца фабрик Ивана Акимовича Мальцова и Капитолины Михайловны.

О его детских и юношеских годах сведений сохранилось не много. Начальное образование Мальцов получил дома, после поступил в школу. Прекрасно знал французский, английский и немецкий языки.

Как дворянин Сергей Иванович должен был служить. Он поступил в гвардию, выбрав местом службы Кавалергардский полк. 1 июля 1830 года был произведён в корнеты, затем — в поручики. В 1833 году по состоянию здоровья Мальцов был уволен с военной службы. Однако отставка была недолгой и продлилась всего полтора года. Во время этого перерыва Мальцов успел побывать за границей, где познакомился с состоянием промышленности.

15 июня 1834 года Мальцов вторично поступил на военную службу и был определён на должность адъютанта принца Петра Георгиевича Ольденбургского. Военная карьера Сергея Ивановича складывалась удачно. В мае 1836 года он был произведён в штабс-ротмистры, в декабре 1840-го — в ротмистры и в апреле 1847 года — в полковники. Мальцов принимал активное, деятельное участие в создании Императорского училища правоведения, инициатором создания которого был принц Ольденбургский: по его поручению Мальцову было поручено составление устава и первоначальная организация училища. Некоторое время он исполнял обязанности директора училища.

В Кавалергардском полку Мальцов служил по 1853 год, когда по его просьбе был уволен в отставку с производством в чин генерал-майора, после чего посвятил себя управлению семейными промышленными предприятиями.

После смерти отца Ивана Акимовича в мае 1853 года Сергей Иванович Мальцов стал крупнейшим землевладельцем, полновластным хозяином огромного промышленного района в центральной части Европейской России. В 1854 году Мальцов вступил в купеческое сословие, в первую гильдию.

Мальцов получил от своего отца в наследство 1000 крепостных душ сразу в двух обширных уездах — Брянском Орловской губернии и Жиздринском соседней Калужской губернии. Когда-то это были владения заводчика Никиты Демидова, но у него на Урале были свои заботы, потому и продал он крепостных вместе с рудоплавильными, железоделательными и стекольными заведениями. Изделия не только прочно завоевали российские рынки, но с большой охотой приобретались за границей. Поначалу заводы не приносили большого дохода. Для содержания и развития своих владений Мальцов в 1875 году учредил Мальцовское промышленно-торговое товарищество с правлением в Дятькове.

В мальцовском заводском округе на землях Калужской, Орловской и Смоленской губерний трудились 100 тысяч человек, производя машины всех видов, стройматериалы, мебель, сельхозпродукты. Деньги, что ходили по России, Мальцов своим рабочим людям не платил и после крепостного права. Для расчета за труд он завёл свои банкноты, в которых значило: «Записка его превосходительства С. И. Мальцова на получение из магазина разных припасов», была своя полиция, своя железная дорога в 202 версты и своя система судоходства, а также были собственного производства ткани, мука, даже пиво и водка. Соцпакет работников опережал все и российские, и западные нормы. На «горячих» участках рабочий день был восьмичасовой. Рабочие получали квартиры на 3—4 комнаты в добротных деревянных или каменных домах; за длительную хорошую работу «жилой» долг порядка 500 рублей с них списывался и жильё переходило в собственность рабочих. Топливо и медобслуживание для всех были бесплатными. В школах для мальчиков и девочек кроме обычных предметов преподавались пение и рисование, а желавшие учиться дальше шли в пятилетнее техническое училище — «мальцовский университет». Его выпускники обычно становились директорами и управляющими на мальцовских предприятиях.

В 1874—1875 годах Мальцов по заказу Департамента железных дорог заключил договор на изготовление в течение шести лет 150 паровозов и 3 тысяч вагонов, платформ и угольных вагонов из отечественных материалов. В новое дело Мальцов вложил более двух миллионов рублей, были построены мастерские, выписаны из Европы машины, построены печи Сименса для выплавки рессорной стали (ранее в России не производившейся), приглашены мастера во главе с французскими инженерами Фюжером и Басоном. И в этот момент чиновники из Департамента железных дорог разместили заказы за границей, ничем этого решения не мотивируя. Таким образом, на складах Мальцова к 1880 году оказалось готовой продукции на сумму 1,5 миллиона рублей. Для того чтобы как-то поддержать дело, Мальцов заложил свои крымские имения.

Жена Мальцова, оставшаяся с детьми в Петербурге, получавшая самое приличное содержание и не пропускавшая ни одного придворного бала, стала распускать слух, что её муж сошел с ума. В 1882 году Мальцова объявили сумасшедшим. В начале 1883 года по дороге из Людиново в Дятьково Мальцов разбился и с тяжелой черепно-мозговой травмой полгода лечился.

Сергей Иванович Мальцов навсегда отошёл от дел в 1884 году. Он переехал в своё крымское имение Симеиз (в центре которого сегодня находится парк им. Мальцова), где занялся садоводством, выпустил второе издание писем Либиха, напечатал свои проекты 40-х годов об обеспечении народа на случай голодовок, а во время голода 1891 года написал несколько статей по этому вопросу.

Осенью 1893 года, Мальцов приехал погостить в Санкт-Петербург и остановился у своей сестры, графини Марии Ивановны Игнатьевой. 14 декабря 1893 года с ним случается «удар» и не приходя в сознание, Мальцов умер 21 декабря 1893 года (2 января 1894 года). Отпевание происходило в Церкви Благовещения Пресвятой Богородицы. Тело его было перевезено в село Дятьково, где и погребено в фамильной усыпальнице.

В составленном в 1893 году завещании Мальцов не упомянул ни супругу, ни детей, распорядившись направить почти все оставшиеся активы на нужды Министерства народного просвещения. Однако его ближайшие родственники в судебном порядке оспорили завещание, потребовав передать им права на имение Симеиз, и через суд добились своего. Наследниками имения стали супруга и шесть детей Сергея Ивановича, но все они немедленно отказались от своих долей в пользу братьев покойного. Они разделили имение на множество мелких участков и выгодно распродали их под строительство дач.