Родился 1 (13) декабря 1851 года в семье помещика Екатеринославской губернии. По окончании минской гимназии он поступил в 1871 году в Петербургский технологический институт. Сблизившись с участниками кружка чайковцев (названного по имени Н. В. Чайковского, одного из организаторов объединения), он начал активную пропагандистсткую работу, участвовал в подготовке «хождения в народ», вел пропаганду среди рабочих-ткачей. С 1872 года он — член общества чайковцев. Один из первых организаторов рабочих кружков в Санкт-Петербурге.
В ноябре 1873 года арестован. По «процессу 193-х» (1877-78) приговорён к 9 годам каторги, которую отбывал на Каре. Отправлен в Нижне-Карийскую тюрьму, после отбытия срока каторги оставлен на поселении в Чите.
В 1906 году выпустил сборник «Стихотворения» (Ростов-на-Дону) и воспоминания «Записки чайковца». В поздних стихах Синегуба чувствуется печаль и по уходящим годам, и по тому, что так и не происходит в стране вызывавшее у него надежды возрожденье.
Лариса Васильевна Чемоданова (1856-1923), дочь сельского священника, была моложе Синегуба на 5 лет. Она родилась в с. Ухтым Вятской губернии (ныне Богородский район), окончила Вятское епархиальное женское училище, пыталась неудачно убежать из родительского дома, чтобы учиться в Петербурге. Поскольку «народники» стремились к освобождению и от «домашнего гнета», Синегуб посчитал своим революционным долгом «освободить от семейного деспотизма» совсем незнакомую ему девушку, мечтавшую «служить народу». В то время среди революционеров практиковалось заключение с этой целью фиктивного брака. Именно так решили поступить 21-летний Сергей Синегуб и Лариса Чемоданова, которой не исполнилось и семнадцати. Синегуб влюбился в невесту с первого взгляда, но народнические принципы не позволяли ему признаться в любви, даже когда Лариса приехала в Петербург и стала жить с мужем в коммуне: «Это было бы преступлением, посягательством с моей стороны на ее свободу, так как я был ее законный муж». В итоге Лариса сама призналась Сергею в любви и по окончании «процесса 193-х» поехала за осужденным мужем в Сибирь. С. С. Синегуб умер 20 октября (2 ноября) 1907 года от разрыва сердца. Л. В. Чемоданова умерла в Томске, пережив мужа на 16 лет.
История любви Синегуба и Ларисы положена в основу фильма «Нас венчали не в церкви». Роль Синегуба сыграл Александр Галибин. Для фильма был написан известный романс Исаака Шварца на стихи Булата Окуджавы «Любовь и разлука».
Лариса Васильевна Чемоданова (1856-1923), дочь сельского священника, была старше Синегуба на год??????