Родился в семье рабочего. Русский.
Образование — незаконченное высшее. В 1943—1944 гг. был слушателем Высшей партийной школы при ЦК ВКП (б).
В 1929—1934 гг. — статистик, инструктор Московского областного планового отдела. С 1934 года на комсомольской и партийной работе. В 1939 году вступил в ряды ВКП (б).
В 1942—1943 гг. второй секретарь Электростальского горкома ВКП (б) Московской области.
В 1944—1947 гг. второй секретарь Красноярского горкома ВКП(б), в 1947—1950 гг. второй секретарь Красноярского крайкома ВКП(б).
С 4 апреля 1950 по 16 августа 1952 — первый секретарь Красноярского крайкома ВКП(б). В годы его руководства краем были введены в строй Ирша-Бородинский угольный разрез, Сорский молибденовый комбинат, завод синтетического каучука, завод Сибэлектросталь.
С 21 августа 1952 по 14 августа 1961 — первый секретарь Пензенского обкома ВКП (б) — КПСС. Запомнился в Пензе как яркий и грамотный руководитель. В годы его работы значительно вырос промышленный потенциал Пензенской области, были построены новые предприятия, открыты научно-исследовательские центры. В частности, заводы «Пензхиммаш», «Пензадизельмаш», «Биосинтез», «Сердобский машиностроительный завод», «Сердобский электроламповый завод» и другие; научно-исследовательские институты физических измерений (НИИФИ), химического машиностроения (НИИПТ-ХИММАШ), вычислительной техники (НИИВТ), электронно-механических приборов (НИИЭМП), электротехники (ПНИЭИ), прядильных машин (НИЭКИПмаш) и другие.
Также при нём в 1958 году было построено современное здание правительства Пензенской области на улице Московской в Пензе. В советское время здесь размещались Пензенский обком КПСС и облисполком. В настоящее время — губернатор, областное правительство и главный федеральный инспектор по области.
С 10 октября 1961 по 1 апреля 1963 гг. — заместитель председателя Совета Народного Хозяйства Пензенского экономического административного района. При Сергее Бутузове в Пензе в 1950—1955 гг. работал председателем облисполкома Фёдор Кулаков — будущий секретарь ЦК КПСС и член брежневского Политбюро.
В период работы в Пензе завязывается дружба Бутузова с писателем Борисом Полевым и скульптором Евгением Вучетичем.
Сергей Бутузов был снят с должности первого секретаря Пензенского обкома КПСС при Первом секретаре ЦК КПСС Никите Хрущёве вскоре после неудачного выступления на одном из региональных сельскохозяйственных совещаний. Считается, что Сергей Бутузов вызвал гнев Хрущёва не сумев правильно ответить на вопрос: «Сколько весит початок кукурузы?». По другим данным, Бутузов пошутил по поводу кукурузы. Также на этом совещании, Бутузов не успел вовремя отдать Хрущеву какое-то обращение рядового гражданина, которое тот отдал ему, попросив передать Никите Сергеевичу. Хрущеву показалось, что Бутузов сделал это намеренно, и разразился гневной тирадой в адрес первого секретаря Пензенского обкома: «Он же ставит барьер между мной и народом!».
С 10 октября 1961 по 1 апреля 1963 гг. — заместитель председателя Совета Народного Хозяйства Пензенского экономического административного района.
С 1963 по 1967 гг. Бутузов С. М. фактически выполнял функции первого мэра Зеленограда. Велика его роль, как одного из руководителей, отвечающих за становление научного центра отечественной микроэлектроники. В эти годы С. М. Бутузов активно занимается организацией строительства промышленных объектов, жилого фонда и всей городской инфраструктуры Зеленограда. Присущие Сергею Михайловичу энергия и опыт руководителя государственного масштаба помогли в кратчайший срок наладить в городе-спутнике строительство современного жилья. В начале 60-х Зеленоград обретает зримые очертания современного наукограда — на фоне бережно сохраненных природных ландшафтов вырастают многоэтажные здания, в том числе, спроектированные по оригинальным проектам лучших архитектурных студий страны. Кроме вопросов строительства, Сергей Бутузов оперативно решает вопросы социальной и кадровой политики. Он занимается обеспечением научного центра талантливыми учеными, молодыми специалистами, высококвалифицированными инженерными и рабочими кадрами со всей страны. Для работы на предприятиях и в институтах Зеленограда приглашаются специалисты, которым предоставляется комфортабельное жилье. В судьбе многих жителей Зеленограда Сергей Михайлович Бутузов принял живейшее участие. До сих пор его с благодарностью вспоминают все, кто получил здесь свою первую квартиру, открыл для себя жизненные перспективы или просто получил дружескую поддержку от этого порядочного и самоотверженного человека.
Умер Сергей Михайлович Бутузов 21 января 1967 года в Зеленограде и похоронен на местном кладбище. Узнав о смерти Сергея Михайловича, писатель Борис Полевой сказал: «Это был прекрасный человек, настоящий большевик — деятельный, прямой, несгибаемый. Таким он и останется навсегда в памяти своих друзей».