Родился 3 августа 1827 года в Москве.
Сергей Урусов был русским офицером, участником обороны Севастополя, где познакомился с Львом Толстым. Их дружба продолжалась долгие годы, знаменитый писатель потом неоднократно бывал в имении Урусова в Спас-Торбеево недалеко от Троице-Сергиевой лавры, а в 1878 году Сергей Урусов подарил собранную им коллекцию шахматной литературы сыну Льва Толстого - Илье.
После окончания Крымской войны князь Урусов ушел в отставку в чине генерал-майора и полностью сосредоточился на высшей математике (издал за свой счет несколько книг) и шахматах.
В России он считался вторым по силе игроком после Александра Петрова. Их очный матч из 21 партий завершился со счетом 13,5:7,5 в пользу Петрова. Всех остальных соперников Урусов побеждал, в том числе четырежды брал верх в матчах с сильнейшим шахматистом Петербурга Ильей Шумовым. Обыгрывал Урусов и приезжавших в Россию иностранных шахматистов.
Младший брат Сергея Урусова Дмитрий был одним из организаторов «Петербургского общества любителей шахматной игры» (1853), членом комиссии по выработке уставов шахматной игры.
Сергей Урусов тщательно изучал дебюты и внес свой вклад в теорию шахмат - одно из начал названо в его честь - «гамбит Урусова».
Он также регулярно публиковал в «Шахматном листке» (1859-1861) заметки под общей рубрикой «Руководство к изучению шахматной игры», но отдельной книгой они выпущены не были.
Скончался 20 ноября 1897 года в селе Спас-Торбеево Московской губернии.