Он становился чемпионом Совесткого Союза в составе «Зенита» и ЦСКА, а со столичным «Спартаком» выиграл первенство России.

Дмитриев родился в Ленинграде и в 18 лет дебютировал в основном составе «Зенита», в составе которого в 1984 году стал самым молодым чемпионом СССР. Через год Сергей впервые сыграл в национальной сборной страны и был кандидатом на поездку на чемпионат мира в Мексике, но игроку помешала нелепая травма. Тем не менее, в 1988-м Сергей Дмитриев стал вице-чемпионом Европы.

После «Зенита» футболист выступал за московское «Динамо» и ЦСКА, с которым стал чемпионом и обладателем Кубка страны, играл в испанской «Хересе», швейцарском «Сент-Галлене» и израильском «Хапоэле».

Вернувшись в Россию, снова играл за «Зенит», питерское «Динамо» и московский «Спартак», в составе которого в 1997 году в третий раз стал чемпионом страны. После завершения игровой карьеры Дмитриев работал тренером.