Воспитанник футбольной школы Калининского р-на г. Ленинграда и ленинградской СДЮШОР "Смена". Выступал за команды "Динамо" Ленинград (1981 - 1982), "Зенит" Ленинград (1982 - 1988, 1995 - 1996, 1998 - 1999), "Динамо" Москва (1989), ЦСКА Москва (1989 - 1990, 1991), "Херес", Испания (1991), "Шталь" Линц, Австрия (1992), "Бохум" Бохум, Германия (1992 - 1993), "Хапоэль" Ашкелон, Израиль (1994), "Тюмень" Тюмень (1997), "Спартак" Москва (1997), "Кристалл" Смоленск (1999), "Светогорец" Светогорск (2001 - 2002). Чемпион СССР/России 1984, 1991, 1997 гг. Обладатель Кубка СССР/России 1991, 1998 гг.
Дмитриев начинал спортивную карьеру в футбольной школе Калининского района. Затем была "Смена". В 1981 году он игрок ленинградского "Динамо", а с 1982 по 1988 выступает в "Зените".
В чемпионском для команды сезоне этот мощный, быстрый и напористый нападающий провел 30 игр и забил 8 голов. Большую пользу "Зениту" принесло его умение, при необходимости, подержать мяч, сильные удары и смелость в единоборствах. В составе ЦСКА Дмитриев стал последним чемпионом СССР и последним обладателем Кубка СССР. В чемпионате России 1997 года стал чемпионом в составе команды "Спартак".
В "Светогорец", в качестве играющего тренера, его пригласил коллега по игре в "Зените" В. Казаченок. В основном, в его функции
входило помогать Казаченку, заменять главного тренера, передавать свой опыт молодым игрокам. Дмитриеву приходилось выходить на поле и в качестве игрока (в команде часто были проблемы с форвардами) и он не подводил, хотя, конечно, в его возрасте тяжелее восстанавливаться между матчами – игры были через два дня на третий, а добираться до других городов приходилось на автобусе. В сезоне 2002 года еще один коллега Сергея, уже по игре в чемпионском составе ЦСКА, Д. Галямин пригласил Дмитриева к себе в помощники в команду "Динамо СПб". Здесь, конечно, большое поле деятельности для такого профессионала как Дмитриев. Его работа пойдет на благо команды, а в конечном итоге, и всего футбола Санкт-Петербурга.