Сергей Капица, сын лауреата Нобелевской премии Петра Леонидовича Капицы, родился в Кембридже. До семи лет он жил в Великобритании. «Там по сей день остался наш дом, он так и называется Капица-хаус», — вспоминал Сергей Петрович.
В 1935 году семья вернулась в СССР и обосновалась в Москве. После школы Сергей Петрович поступил в Московский авиационный институт, который окончил в 1949-м.
В начале 1950-х Сергей Капица попал в Институт физики Земли, где изучал магнитные свойства горных пород. По результатам исследований в 1953 году он защитил кандидатскую диссертацию.
Помимо официальной деятельности Пётр и Сергей Капица занимались «кустарной» наукой: на дачном участке они оборудовали лабораторию, в которой проводили собственные исследования волн сантиметрового диапазона и разрабатывали мощные генераторы.
С 1956 года Сергей Капица преподавал в МФТИ. Там же он начал исследования и разработку ускорителей электронов на средние энергии — микротронов, которые в настоящее время получили распространение в различных областях науки и техники.
Одно из увлечений Сергея Петровича — подводное плавание с аквалангом. Капица был одним из первых аквалангистов в СССР. И в этой сфере он сумел сделать неплохую карьеру — стал заместителем председателя Федерации подводного спорта страны.
Как популяризатор науки Капица работал в 1950-х в Институте научной информации редактором реферативного журнала «Физика». В 1973 году он опубликовал книгу «Жизнь науки». Этот опыт стал предпосылкой появления «Очевидного — невероятного» — передачи о науке и технике, в рамках которой также поднимались вопросы философии, культуры и психологии.
В декабре 1986 года Сергей Капица перенёс покушение «сумасшедшего из Ленинграда» (реставратора, члена общества «Память»). Злоумышленник проник в учебный корпус МФТИ и напал на учёного, когда тот выходил из аудитории. Злоумышленника задержали, а Сергей Капица был госпитализирован. Ему наложили 17 швов. Впоследствии он смог вернуться к работе.
Сергей Петрович умер в Москве 14 августа 2012 года. Его имя носит астероид Серёжа, открытый 20 октября 1982 года, и остров Капицы в составе Малой Курильской гряды.