Родился 19 марта 1872 г. в Перми в Новгородской губернии в родовитой дворянской семье. Его отец был генерал-майором царской армии, увлекался пением. В детстве по настоянию приемной матери (его родная мать умерла при родах) Дягилев учился игре на фортепиано.
В 1890 г. Дягилевы переехали в Петербург. Сергей поступил в Санкт-Петербургский университет на факультет права. Во время учебы он сдружился с А. Бенуа и Л. Бакстом, с которыми он организовал небольшой искусствоведческий кружок. Одновременно с учебой в университете был вольнослушателем в классе пения Петербургской консерватории и брал уроки композиции.
В 1896 г. Дягилев окончил университет с дипломом правоведа.
После сокрушительного провала его первой постановки, Дягилев отказался от карьеры композитора, однако решил посвятить себя искусству в другом качестве. В 1899 г. Дягилев вместе с А. Бенуа учредил элитарный журнал "Мир искусства" и стал его редактором, и одновременно с этим поступил на службу чиновника по особым поручениям в Дирекции Императорских театров (до 1901 г.). Крупная выставка русского искусства, которую он организовал в 1905 г. в Петербурге, еще больше укрепила его репутацию как знатока и ценителя авангарда.


В 1906 г. Дягилев уехал во Францию. Там он организовал ежегодные выступления русских артистов за границей, способствовавшие популяризации русского искусства, которые впоследствии вошли в историю под названием "Русские сезоны". Сначала это были выставки русского искусства, затем "Исторические русские концерты" в помещении парижского театра "Гранд-опера" и спектакли с музыкой русских композиторов. Настоящей сенсацией стала опера Мусоргского "Хованщина" и "Борис Годунов" с Ф. Шаляпиным в роли царя Бориса. "Русские сезоны" просуществовали в Париже и Лондоне до 1914 г.


В 1909 г. великий князь Владимир поручил Дягилеву основать Русский балет в Париже. Дягилев собрал творческий коллектив из самых великих деятелей искусства начала XX в., и в 1911-13 гг. на основе "Русских сезонов" он создал труппу "Русский балет Дягилева", в которой работали хореографы М. Фокин и Л. Мясин; композиторы К.Дебюсси, М. Равель и И. Стравинский; художники Л. Бакст, А. Бенуа, П. Пикассо, А. Матисс; танцовщики Русского балета из Мариинского и Большого театров А. Павлова, В. Нижинский, М. Кшесинская, Т. Карсавина.


И. Стравинский вспоминал о Дягилеве: "Он определял тему, выбирал композиторов, художников, хореографов, исполнителей главных ролей. Он руководил репетициями. Каждая постановка своей оригинальностью отражала его личное соучастие".
"Русский балет" гастролировал по Европе, Соединенным Штатам и Южной Америке, добиваясь все большего успеха.


В последние годы жизни, несмотря на неизменный успех постановок, Дягилев стал тяготиться балетом, однако чувствовал себя ответственным перед людьми, с которыми он работал, и не мог бросить это дело.
В 1929 г. у Дягилева на отдыхе в Венеции случился удар, сменившийся коматозным состоянием, и 19 августа того же года великого импрессарио не стало.


Итальянский композитор Казелла в своих воспоминаниях свидетельствовал: "Он умер один, в гостиничном номере, бедный, каким был всегда. Он жил здесь в кредит, не имея возможности оплатить гостиницу". После его смерти не осталось никаких денежных сбережений и он был похоронен на средства богатых французских покровительниц искусства. У его могилы, которая находится рядом с могилой И. Стравинского на острове-кладбище Сен-Мишель, по-прежнему собираются почитатели, которые оставляют там красные розы и изношенные балетные туфли, отдавая дань памяти этому человеку, чьи идеи сыграли такую важную роль в создании современного танца.