Сергей Максимилианович родился 8 (20) декабря 1849 года и был шестым ребёнком и третьим сыном в семье великой княгини Марии Николаевны и герцога Максимилиана Лейхтенбергского. Внук императора Николая I и правнук Жозефины Богарнэ.
С рождения числился в лейб-гвардии Преображенском полку.
Получил домашнее образование с 1867 года под руководством Владимира Николаевича Зубова (1837—1912), старшего адъютанта Генерального штаба. В воспитании сыновей великая княгиня Мария Николаевна придерживалась методов своего отца, императора Николая I. По воспоминаниям брата Сергея — Николая Максимилиановича — детей «далеко не нежили… Спали всегда на походных кроватях, летом на тюфяках, набитых сеном, и покрывались одним пикейным одеялом».
После завершения образования должен был начать службу в министерстве иностранных дел, но выбрал военную карьеру, характерную для Романовых.
Служил в лейб-гвардии Конном полку. Полк не участвовал в военных действиях, но Сергей Максимилианович добился отправки на фронт.
В начале Русско-турецкой войны князь Романовский отправился на передовую и участвовал в боях за освобождение Болгарии. Состоял при цесаревиче Александре Александровиче. За взятие Тырнова в 1877 году произведён в генерал-майоры.
12 октября 1877 года во время разведки в Рущукском отряде под местечке Йован-Чифтлик, Сергей Максимилианович был убит пулевым ранением в голову. Князь Романовский стал первым членом Российского императорского дома, погибшим на войне (вторым стал князь императорской крови Олег Константинович).
Женат не был, потомства не оставил.
Сергей Максимилианович похоронен в великокняжеской усыпальнице в Петропавловском соборе.