Сергей Петрович Трубецкой родился в семье князя Петра Сергеевича и его жены Дарьи Александровны, в девичестве светлейшей княжны Грузинской. Род Трубецких восходил к великому князю литовскому Гедимину. Представители этой фамилии неизменно занимали высокое положение в Московском государстве и в Российской империи.
С 1806 года Трубецкой учился в Московском университете. Дома он проходил курсы математики и фортификации. Затем продолжил образование в Париже.
В 1812 году он служил подпоручиком Семёновского полка. Трубецкой отличился в сражениях при Бородине, Малоярославце, Люцене, Бауцене, Кульме и Лейпциге. За храбрость его наградили орденами святой Анны III степени, святого Владимира IV степени с бантом, прусским орденом «За заслуги» и Кульмским крестом. В 1822 году он стал полковником Преображенского полка.
Трубецкой активно участвовал в декабристском движении. В 1816 году он был одним из создателей «Союза спасения» (с 1817 года — «Союз благоденствия»). С 1823 года князь входил в число председателей «Северного общества». 27 ноября 1825 года его избрали «диктатором» готовящегося восстания.
После провала выступления Трубецкого арестовали. Его допрашивал лично император Николай I. Князю предъявили обвинения в планах ареста и даже уничтожения императорской семьи. Верховный уголовный суд приговорил С. П. Трубецкого к вечной каторге.
Николай I в 1826 году смягчил приговор до 20 лет каторги с последующей ссылкой в Сибирь. Позже срок ещё дважды сокращали: до 15 лет в 1832 году, и до 13 лет в 1835 году. Сначала Трубецкой отбывал наказание в Нерчинских рудниках, а с 1830 года — в Петровском Заводе.
За мужем последовала его супруга Екатерина Ивановна, урождённая графиня де Лаваль де Ла Лубрери. В Петровском Заводе у них родилось четверо детей.
В 1839 году князя перевели на поселение в село Оек Иркутской губернии. 22 августа 1856 года Трубецкого амнистировали. Ему вернули права дворянского состояния, но не княжеский титул. После этого он жил сначала в Киеве, затем в Одессе (1858 год). 19 (31) августа 1859 года Трубецкой переехал в Москву, где и умер 22 ноября 1860 года.
Его похоронили в Новодевичьем монастыре у юго-западного угла Смоленского собора.