В 1949 году он окончил Московский авиационный институт. Работал в разных областях физики: сверхзвуковая аэродинамика, земной магнетизм, прикладная электродинамика, физика элементарных частиц. С 1956 года преподавал в Московском физико-техническом институте, в течение 35 лет заведовал в МИФИ крупнейшей в стране кафедрой физики. В 1961 стал доктором физико-математических наук. В 1965 году получил звание профессора. Работы Сергея Капицы в области прикладной электродинамики привели к созданию микротрона.
В 1973 году стал бессменным ведущим программы "Очевидное-невероятное", которую вывел в число самых популярных в Советском Союзе. И едва ли за эти долгие годы можно найти хоть одну передачу, которую можно было бы назвать "проходной", небрежно или наспех сделанной. Идее просветительства он отдавался ответственно и считал, что "популяризация знаний должна быть. В прошлом это было, и в прошлом состояние нашей науки и техники определялось в том числе тем, что тираж журнала "Наука и жизнь" имел более 3 миллионов экземпляров. Сейчас — 40 тысяч. Почти в сто раз упал. Был журнал "Техника молодежи", другие издания. Сейчас сотни выходящих журналов рассчитаны на пресмыкающегося ума человека. На их издание общество находит деньги. В итоге у нас будет страна дураков. Такая задача, очевидно, ставится, и тогда нечего обсуждать. Но если задача в другом, то надо исправлять положение, которое уже таково, что не может не тревожить. Просветительских передач, разного рода изданий явно не хватает… Фактически в настоящий момент мы наблюдаем обратную эволюцию. Здесь два фактора. Думаю, главный тот, что у нас совершенно неправильно поняты экономические задачи. Экономические задачи не могут быть самоцелью для общества. Они важны постольку, поскольку работают на человека и его развитие".
Он умел чётко расставить акценты, сформулировать мысль, без всяких "допущений и неоднозначных толкований", не уходил от прямых вопросов в дебри рассуждений.
А на вопрос "Вы приглашаете на свою передачу людей, учитывая их вклад в науку или руководствуясь личными симпатиями?", отвечал: "Я приглашаю на передачи людей мне симпатичных, а симпатичны мне люди, внесшие вклад в науку". И с каждым из своих собеседников, специалистом в любой области, он говорил на равных, демонстрируя не показушную, а подлинную широту знаний, заинтересованность в том, чтобы и телеаудитория поняла смысл подчас весьма непростых бесед, получила и знания, и пищу для размышлений. Редкое свойство телеведущего: делать главным в передаче гостя, а не себя.
Нас потчевали байками, что в век глобализации и науку свою не стоит иметь, тратиться, мол, никаких научных секретов нет, бери да пользуйся чужими открытиями. А Сергей Петрович утверждал, что страна, не развивающая собственную науку, живущая на купленных лицензиях и чужих открытиях, не может быть передовой и независимой. "Если даже вы купите технологии, то ничего не поймете. Вы будете на поводу у тех, у кого купили. А они вам будут продавать прошлогодний снег. Никто вам современные технологии никогда не даст, сколько бы вы за это ни заплатили. Даже купив чертежи и технологии на современную ракету или оборудование, автомобиль, вы потратите пять лет на ее воспроизведение. За это время всё устареет полным образом, и никакие патенты не помогут. Только если вы над темой сами работаете, можно говорить о достижениях".
Учёный, со свойственной этим людям лаконичностью, а порой и сухостью речи, Сергей Петрович был очень образен в разговоре; на вопрос, — не кажется ли ему, что наша наука сильнее, чем о ней говорят и её считают, ведь она все-таки более-менее существует без западных мозгов, а западная сильно подпитывается нашими мозгами, и можно ли собрать этих уехавших ученых, специалистов? — Сергей Петрович ответил следующее: "Ситуацию можно сравнить со взорвавшейся скороваркой: крышку снесло, все продукты разлетелись по кухне. Осколки очень трудно собирать. Она хорошо работала, потому что была закручена, то есть была в рабочем состоянии. Разбив, трудно склеить, нужно попросту новую скороварку делать. Сейчас мы вошли в мировую науку и оказались там абсолютно состоятельными". А насколько состоятельна была наша наука, он проиллюстрировал фактом, что Империя Билла Гейтса, по признанию самих работающих в ней, не состоялась бы без русских мозгов, учёных, которые по разным причинам уехали из России.
О том, что нашим учёным надо создавать достойные условия для работы и жизни в России, чтобы они не покидали страну, что хватит крепить мощь чужих держав, говорил постоянно, на всех уровнях.
Человек широчайшей эрудиции, превращающий даже увлечение в плодотворное занятие, он одним из первых в СССР занялся подводным плаванием, снимал фильмы о подводном мире, расширяя наши, зрителей, горизонты.