Великий князь Сергей Александрович был сыном императора Александра Второго и его супруги Марии Александровны. Сергей был пятым сыном в императорской семье, он родился 29 апреля 1857 года, через два года поле того, как его отец взошел на российский престол. В раннем детстве его воспитанием занималась мать, а в 9-летнем возрасте началось систематическое обучение мальчика различным предметам. В числе его наставников был и великий русский историк Василий Осипович Ключевский. Сергей Александрович, по отзывам современников, получил блестящее образование: он обладал глубокими знаниями в истории, литературе, отлично разбирался в живописи.

В молодости Сергей Александрович принимал участие в русско-турецкой войне 1877-1878 гг., а в феврале 1887 года был назначен на должность командира Лейб-гвардии Преображенского полка. Через четыре года Сергей Александрович отправился в Москву в качестве генерал-губернатора Первопрестольной. С 1896 года губернаторскую должность он совмещал еще и с командованием войсками Московского военного округа. До конца жизни деятельность великого князя была связана с Москвой.

В июне 1884 года в Санкт-Петербурге прошла церемония венчания князя с принцессой Гессен-Дармштадтской Елизаветой Александрой Луизой Алисой, которая приняла православие с именем Елизавета Федоровна. О их семейной жизни ходило много слухов, счастливой ее никак нельзя было назвать, но жалоб от Елизаветы Федоровны не слышал никто, даже ближайшие родственники. Детей у них не было, супруги взяли на воспитание племянников Марию и Дмитрия. Это были дети Павла, родного брата Сергея Александровича. Их мать великая княгиня Александра Георгиевна умерла во время родов.

В Москве Сергей Александрович развил активную деятельность. В 1892 году в городе состоялось торжественное открытие здания Московской городской Думы, губернатор был назначен председателем Исторического музея, находясь на этой должности до последних дней жизни. В Москве завершилось строительство новой очереди Мытищинского водопровода, открыли Московский Художественный театр. Уделял внимание генерал-губернатор и вопросам экологии: вышел указ, запрещающий слив вод с предприятий в Москву-реку. Впрочем, это постановление вызвало протест со стороны многих крупных промышленников, на самом деле оно практически не выполнялось.

Деятельное участие Сергей Александрович принимал в работе Московского археологического общества. Археологией он увлекся во многом благодаря председателю данного общества графу А. С. Уварову, вместе с которым не раз выезжал на раскопки. В 1889 году археологи, при активном содействии великого князя, работали у подмосковного села Ильинского, рядом с летней резиденцией генерал-губернатора.

Кроме того, Сергей Александрович увлекся коллекционированием икон, его собрание демонстрировалось на выставках Московского общества любителей художеств в 1896 и 1897 гг. Правление Сергея Александровича в Москве было серьезно омрачено трагедией, которая произошла 18(30) мая на Ходынском поле. В городе проходила церемония венчания на царство Николая Второго.Для народного гулянья было выделено Ходынское поле. Во время раздачи подарков началась давка. Только по официальным данным количество жертв составило 1389 человек. Одним из главных виновников был объявлен генерал-губернатор, за которым в народе прочно укрепилось прозвище «князь Ходынский». Несмотря на то, что в обществе раздавались требования отправить градоначальника в отставку, свой пост он сохранил.

Новая волна протестов против деятельности генерал-губернатора прокатилась в начале ХХ века. 1 января 1905 года он ушел с губернаторской должности, сохранив за собой командование войсками Московского округа. Во время первой русской революции 1905 года эсеры вынесли князю смертный приговор за применение военной силы против восставших. Для жизни Сергея Александровича это представляло серьезную опасность, тысячи чиновников и военачальников самого высокого уровня стали в те годы жертвами революционного террора.

4 февраля 1905 года, около 3 часов пополудни у Никольских ворот Кремля в карету, где находился князь, была брошена бомба. От мощного взрыва карету буквально разорвало, Сергей Александрович погиб. Террористом оказался Иван Каляев, который был арестован и через два месяца повешен. На следствии он показал, что убийство планировалось двумя днями раньше, но Каляев не стал бросать бомбу в карету, в которой, помимо самого князя, находились жена и малолетние племянники.

Похороны великого князя Сергея Александровича состоялись 10 февраля 1905 года. Было принято решение похоронить его не в Петербурге, а в Москве в Алексеевском соборе Чудова монастыря. Сам монастырь был разрушен в 1930 году, останки князя обнаружили только в 1995 году при реконструкции Кремля. Их перенесли в Новоспасский монастырь.

Великая княгиня Елизавета, жена Сергея Александровича, навестила убийцу в тюрьме, подарила Каляеву Евангелие и иконку, призвав к покаянию. Сама она занялась благотворительностью, основала Марфо-Марииинскую обитель милосердия. В 1918 году Елизавета Федоровна была арестована и отправлена в Екатеринбург, а затем в Алапаевск. 18 июля того же года великая княгиня была убита, большевики сбросили ее в шахту Новая Селимская. После того как город был занят Белой армией, останки Елизаветы Федоровны были вывезены в Китай, а в 1921 году доставлены в Иерусалим, где она и мечтала быть похороненной.

На месте гибели Сергея Александровича в 1908 году был установлен памятный крест, над эскизом которого работал известный русский живописец В. М. Васнецов. Через десять лет крест был снесен во время коммунистического субботника при личном участии В. И. Ленина. Восстановили его только в XXI веке, 4 мая 2017 года состоялась торжественная церемония открытия нового памятного знака на том месте, где погиб великий князь Сергей Александрович.