Выходец из дворянского рода, фамилия происходит от названия города Мурома. Сам Муромцев, занимаясь исследованиями в области генеалогии своего рода, считал своим первым известным по имени предком Афанасия Муромцева, жившего в начале XVII века.
По воспоминаниям близких ему людей, в возрасте 9-10 лет Сергей Муромцев уже играл в «государство» и издавал ежедневную рукописную газету, материалы которой были посвящены домашним новостям. Воображаемое государство имело конституционный характер, в нём даже «существовал» двухпалатный парламент, располагавшийся в двух беседках сада имения Муромцевых.
Окончил 3-ю московскую гимназию (1867 год, с золотой медалью), окончил юридический факультет Московского университета (1871 год, со степенью кандидата). Был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию. В 1873—1874 годах слушал лекции профессора римского права Кунтце в Лейпцигском университете и специалиста в области цивилистики и философии права Рудольфа Иеринга в Геттингенском университете. Иеринг оказал значительное влияние на становление Муромцева как учёного-юриста.
Магистр гражданского права (1875 год; тема диссертации — «О консерватизме римской юриспруденции: Опыт по истории римского права»), Доктор гражданского права (1877 год; тема диссертации — «Очерки общей теории гражданского права»).
По воспоминаниям современников, преподавательская деятельность Муромцева
Автор научных работ по гражданскому и римскому праву. Наибольшей известностью пользовался его капитальный труд «Гражданское право Древнего Рима», который явился первой попыткой анализа развития римского гражданского права во всей его полноте, в связи как с внутренними факторами, так и с особенностями творчества римских юристов. Лишь несколько лет спустя подобные исследования провели юристы из Англии, Франции и Германии, приходя к аналогичным выводам.
Был сторонником социологического позитивизма, включавшего психологическую теорию права. В 1870-х годах выдвинул концепцию социологического изучения права с применением функционального и историко-сравнительного методов. Был противником формально-догматического подхода к юриспруденции, в своих исследованиях учитывал влияние социального фактора на правовую сферу. Последовательный сторонник суда присяжных, Муромцев выступал за более активную роль судьи в процессе и его влияние на правотворчество (в 1870-80-е годы это было особенно актуально, так как либеральные судьи часто были вынуждены ориентироваться на архаичные правовые нормы). Изучал и популяризировал европейский парламентский опыт.
В 1879—1892 — редактор журнала «Юридический Вестник». Близкий друг известного юриста и либерального общественного деятеля М. М. Ковалевского, сотрудничавшего в этом издании. Приступая к руководству журналом писал в частном письме о желании
С 1898 читал лекции по гражданскому праву и гражданскому судопроизводству в Императорском Александровском лицее. С 1906 — ординарный профессор по гражданскому праву и судопроизводству юридического факультета Московского университета. Преподавал также на Высших женских курсах, в Коммерческом институте и в Народном университете имени Шанявского.
В 1880 г. вместе с юристом В. Ю. Скалоном и экономистом А. И. Чупровым стал автором «Записки о внутреннем состоянии России», направленной графу М. Т. Лорис-Меликову. В «Записке» предлагалось пойти навстречу либеральной общественности и создать из представителей земств «особое самостоятельное совещание» с законосовещательными функциями. Некоторые идеи этого документа были использованы при подготовке «Конституции Лорис-Меликова» — проекта умеренных либеральных реформ, составленного незадолго до гибели Александра II. Публикация «Записки» в России в 1881 была запрещена — она распространялась в рукописных копиях и была опубликована в Берлине.
Муромцев являлся гласным Московского и Тульского земских собраний. В 1881—1884, 1889—1893, 1897—1908 — гласный Московской городской думы. Участвовал в земских и городских съездах, в деятельности Союза земцев-конституционалистов (1903). В 1904 выступил в московском совете присяжных поверенных с речью, в которой призвал поддержать идею созыва народных представителей.
Один из основателей и лидеров Конституционно-демократической партии, с октября 1905 — член её ЦК. Участвовал в составлении проект «Основного закона Российской империи» и ряда законопроектов о политических свободах.
В 1906 Муромцев был избран депутатом (от Москвы) Первой Государственной думы, и на её первом заседании 27 апреля того же года был избран председателем. После избрания произнёс свою первую и последнюю речь в Думе, которую начал словами «Кланяюсь Государственной Думе». В своей речи, в частности, сказал:
Последовательно выступал за проведение либеральных реформ, за уважение к представительному органу власти. Российские либералы высоко оценивали деятельность Муромцева на посту председателя Думы. По воспоминаниям историка А. А. Кизеветтера,
После роспуска Думы подписал вместе с другими депутатами-кадетами Выборгское воззвание с призывом оказывать пассивное сопротивление власти (не платить налогов и не идти на военную службу). За это был приговорён к трём месяцам лишения свободы и отсидел весь свой срок в Московской губернской тюрьме — в знаменитой «Таганке», что сделало невозможным его участие в думских выборах.
В основе права лежат интересы индивидов, общественных групп, союзов и т. д. На базе интересов в обществе возникают различные отношения, регулирование которых осуществляется с помощью различных санкций: юридической, моральной, религиозной и др. При этом каждое отношение может быть предметом нескольких санкций одновременно.
Отношение, соблюдаемое по привычке, обладает особенной прочностью и именно в силу этого не нуждается в юридической санкции. Юридическая защита необходима только тем отношениям, которые еще недостаточно прочны и требуют дополнительных гарантий от государства. Юридической санкцией обеспечивается только та часть общественных отношений, которая признается наиболее важной для интересов личности и государства и не может быть обеспечена иначе, как силой государственного принуждения.
Группы общества: дружеские кружки, товарищества, семья, община, сословие, партия, государство.
Правовые общественные отношения:
Неорганизованная защита — защита прав граждан в зависимости от обстоятельств; в каждом конкретном случае определяется соответствующая форма защиты.
Организованная защита (юридическая) — применяется для защиты типичных для общества интересов; возникает, когда необходимо урегулировать несколько интересов; осуществляется государственными институтами.
Скончался во сне от сердечного приступа. Похоронен на Донском кладбище в Москве (в его новой части), где на надгробии (1912, архитектор Ф. О. Шехтель) установлен бюст работы скульптора Паоло Трубецкого.
Похороны Муромцева превратились в демонстрацию, в которой приняли участие тысячи людей, бывших сторонниками либеральных идей и находившихся в оппозиции к власти. Газета «Русские ведомости» писала, что Муромцев «при жизни для всех русских, для всех европейцев стал исторической личностью, потому что с его именем начинается русская конституционная история».
После кончины Муромцева Московская городская дума учредила премию и стипендию его имени на юридическом факультете Московского университета и постановила повесить его портрет (как многолетнего гласного) в своём зале заседаний.