Отец — Николай Иванович, родом из Сибири, г. Бийска, ветеран Великой Отечественной войны, после войны работал водителем. Мать — Нина Яковлевна, училась в Ленинградском военно-механическом институте, пережила блокаду Ленинграда. После войны получила высшее финансовое образование, работала бухгалтером.
В 1965 году Сергей Лебедев окончил с золотой медалью среднюю школу, в 1970 году — Черниговский филиал Киевского политехнического института, после чего оставлен для работы в институте, а спустя короткое время избран секретарем Черниговского горкома ВЛКСМ.
В 1971—1972 годах проходил службу в армии в Киевском военном округе.
С 1973 года — в органах госбезопасности, с 1975 года — во внешней разведке (Первое Главное управление КГБ СССР). Имеет контрразведывательную подготовку (Киевская школа КГБ) и разведобразование (Краснознамённый институт КГБ).
В 1978 году окончил с отличием Дипломатическую академию МИД СССР. Владеет немецким и английским языками.
Многократно выезжал в загранкомандировки: ГДР, ФРГ, Западный Берлин, объединенная Германия.
В 1998—2000 годах — официальный представитель Службы внешней разведки в США, генерал-лейтенант.
20 мая 2000 — 9 октября 2007 — Директор СВР России. Генерал-полковник (2000). Генерал армии (декабрь 2003).
С 2000 года — член, с 2004 года постоянный член Совета Безопасности Российской Федерации
5 октября 2007 года назначен на саммите СНГ в Душанбе на должность исполнительного секретаря СНГ.
Женат, супруга Вера Михайловна — инженер-химик. Двое взрослых сыновей, два внука.