Родился 1 апреля 1873 г. в усадьбе Семёнове Новгородской губернии в дворянской семье. В 1882 г. Рахманиновы перебрались в Петербург. В том же году Сергей поступил в консерваторию.
С осени 1886 г. он стал одним из лучших учеников и получил стипендию имени Н. Г. Рубинштейна. На заключительном экзамене по гармонии П. И. Чайковскому так понравились сочинённые Рахманиновым прелюдии, что он поставил пятёрку, окружённую четырьмя плюсами.
Наиболее значительное из ранних произведений — одноактная опера «Алеко» на сюжет А. С. Пушкина. Она была закончена в небывало короткий срок — чуть больше двух недель. Экзамен состоялся 7 мая 1892 г.; комиссия поставила Рахманинову высшую оценку, ему была присуждена Большая золотая медаль. Премьера «Алеко» в Большом театре состоялась 27 апреля 1893 г. и имела огромный успех.
Весной 1899 г. Рахманинов закончил знаменитый Второй концерт для фортепиано с оркестром; в 1904 г. композитору была присуждена за него Глинкинская премия.
В 1902 г. создана кантата «Весна» на стихотворение Н. А. Некрасова «Зелёный шум». За неё композитор также получил Глинкинскую премию в 1906 г.
Знаменательным событием в истории русской музыки стал приход Рахманинова осенью 1904 г. в Большой театр на пост дирижёра и руководителя русского репертуара. В тот же год композитор завершил свои оперы «Скупой рыцарь» и «Франческа да Римини». После двух сезонов Рахманинов ушёл из театра и поселился сначала в Италии, а затем в Дрездене.
Здесь была написана симфоническая поэма «Остров мёртвых». В марте 1908 г. Сергей Васильевич вошёл в состав Московской дирекции Русского музыкального общества, а осенью 1909 г., вместе с А. Н. Скрябиным и Н. К. Метнером, — в Совет Российского музыкального издательства.
В это же время он создал хоровые циклы «Литургия святого Иоанна Златоуста» и «Всенощная».
Осенью 1915 г. появился «Вокализ», посвящённый певице А. В. Неждановой. Всего Рахманинов написал около 80 романсов.
В 1917 г. положение в стране обострилось, и композитор, воспользовавшись приглашением на гастроли в Стокгольм, выехал 15 декабря за границу. Он не предполагал, что покидает Россию навсегда. После гастролей по Скандинавии Рахманинов прибыл в Нью-Йорк.
Летом 1940 г. он закончил своё последнее крупное сочинение — «Симфонические танцы».
5 февраля 1943 г. состоялся последний концерт великого музыканта.
Скончался 28 марта 1943 г. в Калифорнии.