Родился 8 августа (21 августа) 1904 г. в г. Скопин Рязанской обл., «из семьи торговца», русский. В 1917 г. окончил приходскую школу, в 1926 г. — Объединенную школу им. ВЦИК, в 1929 г. — 2 курса Вечернего рабочего университета, в 1937 г. — Военную академию им. М.В. Фрунзе «с дипломом 1 ст.».
В Красную Армию вступил добровольно 15 сентября 1922 г.: командир взвода (сентябрь 1926 г. — декабрь 1929 г.), командир роты (по июнь 1930 г.), начальник штаба учебного батальона (по апрель 1932 г.), командир батальона (по июнь 1934 г.), начальник штаба стрелковой дивизии (октябрь 1937 г. – апрель 1938 г.), начальник отдела в штабе Харьковского военного округа (по август 1939 г.).
В годы Великой Отечественной войны — командир стрелковой дивизии (с августа 1939 г. по апрель 1942 г.), начальник штаба армии на Брянском фронте (по ноябрь 1942 г.).
В его боевой характеристике от 29 июля 1942 г. отмечалось: "... энергичен, дисциплинирован и выдержан. В оперативно-тактической обстановке разбирается быстро и правильно, своевременно реагирует на изменения в ней..."
С ноября 1942 г. по апрель 1943 г. С.С. Бирюзов — начальник штаба 2-й гвардейской армии Сталинградского (Южного) фронта, с апреля 1943 г. — начальник штаба Южного (4-го Украинского) фронта и с октября 1944 г. — командующий 37-й армией (по май 1946 г.).
Командующий войсками 3-го Украинского фронта Маршал Советского Союза Толбухин Ф.И. отмечал в боевой характеристике С.С. Бирюзова: "... энергичный, хорошо подготовленный, имеющий большой практический опыт... Лично храбрый, настойчивый и дисциплинированный генерал..."
После окончания войны С.С. Бирюзов — заместитель Главнокомандующего Сухопутными войсками по боевой подготовке (по июнь 1946 г.), заместитель Главнокомандующего Южной группой войск и командующий 10-й механизированной армией (по июнь 1947 г.), командующий войсками Приморского военного округа (по май 1953 г.), Главнокомандующий Центральной группой войск (по июнь 1954 г.), первый заместитель Главнокомандующего войсками ПВО страны (по апрель 1955 г.), заместитель министра обороны и Главнокомандующий войсками ПВО страны (по апрель 1962 г.), заместитель министра обороны и Главнокомандующий Ракетными войсками (по март 1963 г.), начальник Генерального штаба — первый заместитель министра обороны СССР (по октябрь 1964 г.).
С.С. Бирюзов — Герой Советского Союза (1.02.1958 г.), награжден 5 орденами Ленина (27.03.1942 г., 6.11.1947 г., 20.08.1954 г., 1.02.1958 г., 20.08.1964 г.), 3 орденами Красного Знамени (13.09.1944 г., 3.11.1944 г., 20.04.1953 г.), орденами Суворова I степени (16.05.1944 г.), II степени (31.03.1943 г.), Кутузова I степени (17.03.1943 г.), Богдана Хмельницкого I степени (19.03.1944 г.), а также 5 медалями СССР и 9 орденами и медалями иностранных государств.
Воинские звания: полковник — присвоено 4 сентября 1938 г., комбриг — 4 ноября 1939 г., генерал-майор — 4 июня 1940 г., генерал-лейтенант — 30 августа 1943 г., генерал-полковник — 17 мая 1944 г., генерал армии — 3 августа 1953 г., Маршал Советского Союза — 11 марта 1955 г.
Член КПСС с 1926 г., кандидат в члены ЦК КПСС с 1956 г., член ЦК КПСС с 1961 г., депутат Верховного Совета СССР 2-6-го созывов.
Погиб в результате авиакатастрофы вблизи Белграда 19 октября 1964 г. Похоронен на Красной площади в Москве.