Сергей Никитич Ковалев родился 15 августа 1919 в Петрограде в семье морского офицера Никиты Назаровича Ковалёва и его супруги Анастасии Ивановны. Его отец — Н. Н. Ковалев — состоял на службе в военно-морском флоте с 1904 года, служил минером-электриком и штурманом. После Октябрьской революции продолжал службу на флоте в Советской России. Был автором двух учебников по минному делу, ряда статей по радиосвязи и радиопеленгации.
Сергей Никитич окончил знаменитую ленинградскую школу «Реформиерте Шуле» с преподаванием на немецком языке в 1937 году. В 1939 году на Валдайском озере байдарка была спущена на воду. Став первым кораблем С. Н. Ковалева, она долго служила ему для путешествий по рекам и речкам родного края.
В 1937 году С. Н. Ковалев поступил на кораблестроительный факультет Ленинградского кораблестроительного института (ЛКИ). После прохождения практики на Балтийском судостроительном заводе на строительстве крейсеров «Чапаев» и «Чкалов» С. Н. Ковалёв был зачислен в бригаду судосборщиков и получил квалификацию судосборщика 6-го разряда.
После начала Великой Отечественной войны, пережив в Ленинграде первую блокадную зиму. В конце февраля 1942 года был эвакуирован по «Дороге жизни», лечился от дистрофии в госпитале в Сталинграде. Находясь в эвакуации в городе Пржевальске (Киргизская ССР), закончил обучение в Николаевском кораблестроительном институте, к которому тогда был присоединён ЛКИ (1943).
Дипломный проект лидера (крупного эсминца или небольшого крейсера) делали трое дипломантов — Ковалёв, Войткунский, Лапшин, причем на долю С. Н. Ковалёва досталась разработка корпуса, расчеты по прочности и теории корабля. Весной 1943 года он защитил диплом и получил звание инженера-кораблестроителя.
В ноябре 1943 года был направлен на работу в Центральное конструкторское бюро № 18 (ныне именуемое Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин на должность конструктора 2-й категории (ЦКБ-18 тогда работало в эвакуации в Горьком). Именно там он начал заниматься проектированием подводных лодок. Со временем стал конструктором 1 разряда, а затем и старшим конструктором. После войны с коллективом ЦКБ-18 вернулся в Ленинград. Здесь развернулась работа по постройке дизель-электрических подводных лодок среднего (проект 613) и большого водоизмещения (проект 611). При создании этих подводных лодок учитывались последние достижения немецкого подводного судостроения, главным образом, в части значительного увеличения емкости аккумуляторной батареи. Здесь и пригодилось по-настоящему хорошее знание С. Н. Ковалевым немецкого языка.
Первый руководящий проект
В 1948 г. в качестве помощника, заместителя, затем главного конструктора руководил разработкой и постройкой подводной лодки проекта 617 с парогазовой турбинной установкой. На испытаниях этой субмарины впервые в СССР была достигнута скорость подводного хода 20 узлов (около 37 км/ч).
С мая 1953 г. Ковалев продолжал работу в ЦКБ-18, куда была переведена группа конструкторов СКБ-143, задействованных над проектом 617. Занимал посты заместителя главного конструктора, главного конструктора проектов, в 1958-1983 гг. - главного конструктора предприятия, которое с 1966 г. носило название Ленинградское проектно-монтажное бюро "Рубин".
Сергей Ковалев участвовал в разработке первой советской атомной подводной лодки с баллистическими ракетами (проект 658). В 1958 г. возглавил работы по созданию атомной торпедной подводной лодки проекта 627. Впоследствии был главным и генеральным конструктором всех советских атомных субмарин, вооруженных баллистическими ракетами (проекты 667А/АУ, 667Б, 667БД, 667БДР и 667БДРМ). С 1971 г. руководил проектированием и постройкой атомных подводных крейсеров проекта 941 (шифр "Акула") с твердотопливными баллистическими ракетами. По состоянию на 2019 г. это самая большая подводная лодка в мире (подводное водоизмещение - 48 тыс. т). В 1983 г. Сергею Ковалеву и другому конструктору подводных лодок ЛПМБ "Рубин", Игорю Спасскому, впервые в советской судостроительной промышленности было присвоено звание генерального конструктора.
По проектам С. Н. Ковалёва построены 92 подводные лодки Военно-Морского Флота (ВМФ) СССР и России.
Научные работы и награды
С 1984 г. занимал пост заместителя председателя президиума Ленинградского научного центра АН СССР. Избирался депутатом Верховного Совета СССР (11 созыв, 1984-1989).
Увлекался пейзажной живописью, был почетным членом Союза художников Санкт-Петербурга. В 2000-х гг. были изданы альбомы его живописных работ.
Автор научных трудов по проектированию, теории и строительной механике кораблей, а также в области гидродинамики и энергетики. С 1994 г. научный руководитель проектов по созданию морских нефтегазодобывающих платформ.
Был автором более 150 научных трудов в области проектирования, теории подводного кораблестроения и строительной механики кораблей, а также автобиографии "О том, что есть и было..." (2006) и детской книги с авторскими рисунками "Письма внукам" (2007).
Лауреат Ленинской премии (1965), Государственной премии СССР (1978), Государственной премии Российской Федерации (2006, присуждена в 2007). Награждён орденами Ленина (1963, 1970, 1974, 1984), Октябрьской Революции (1979), «За морские заслуги» (2003), «За заслуги перед Отечеством» 2-й степени (2009). Благодарность Президента Российской Федерации (1999). За выдающийся вклад в технический прогресс награждён Золотой медалью В. Г. Шухова (1997). Академик Петровской академии наук и искусств, почётный член Союза художников Санкт-Петербурга.
Умер в Санкт-Петербурге на 92-м году жизни. В честь инженера-конструктора названы набережная в Северодвинске (Архангельская обл.) и морской транспорт вооружения проекта 20180ТВ