Gimė bajorų kilmės karininko šeimoje. Mokėsi Imperatoriškajame Aleksandro licėjuje Sankt Peterburge. 1886–1888 m. klausė paskaitas Sankt Peterburgo universiteto fizikos ir matematikos fakultete. 1902 m. Vokietijoje mokėsi fotografijos. 1906 m. dalyvavo fotografijų parodose Romoje, Milane, Berlyne ir Paryžiuje. 1908 m. aplankė ir fotografavo rašytojų Levą Tolstojų jo sodyboje Jasnaja Poliana. 1909 m. imperatorius Nikolajus II leido S. Prokudinui-Gorskiui apsilankyti ir fotografuoti įvairias Rusijos sritis. 1909–1916 m. Sergejus Prokudinas-Gorskis fotografavo bažnyčias, vienuolynus, gamyklas, miestų ir kaimos vaizdus. 1912 m. fotografavo Vilniuje ir Kaune. 1910 kartu su šeima emigravo į Jungtinę karalystę. 1921 m. persikėlė į Prancūziją.
