Происходил из рода Фонвизиных. Родился 17 (29) мая 1822 года в семье многолетнего предводителя клинского дворянства Сергея Павловича Фонвизина (1783—1860), который считался одним из наиболее влиятельных масонов (в т.ч. в период, последовавший за запретом масонских лож). Мать — Варвара Александровна Давыдова, сестра декабриста Дмитрия Давыдова. Внучатый племянник драматурга Д. И. Фонвизина.
Мать драматурга Фонвизина была из рода Дмитриевых-Мамоновых. Благодаря этому родству сначала Сергей Фонвизин, а потом его сын Иван вошли в число опекунов её племянника графа Дмитриева-Мамонова, объявленного сумасшедшим. При разделе имений графа Фонвизин унаследовал село Пурех; в 1877—1883 годах сдавал «Мамонову дачу» под психиатрическую лечебницу доктора Левенштейна.
Рядовой (1841), унтер-офицер (1841), юнкер (1842) гусарского Его императорского высочества (ЕИВ) герцога Максимилиана Лейхтембергского полка.
Офицер Нарвского гусарского ЕИВ Великого князя Константина Николаевича полка (1842). Корнет уланского ЕИВ Великого князя Михаила Павловича (1843), уланского ЕИВ Великого князя Михаила Николаевича (1843) полков.
Офицер для особых поручений при А. В. Суворове (1854).
Полковник (1856) Киевского гусарского ЕИВ князя Николая Максимилиановича (1858), драгунского ЕИВ эрцгерцога Леопольда Австрийского (1858) полков.
После выхода в отставку унаследовал родительскую усадьбу Спас-Коркодино и сменил отца в качестве клинского уездного предводителя дворянства (1859); позднее там же служил почётным мировым судьёй. Чиновник для особых поручений при московском военном генерал-губернаторе. Надворный (1860), коллежский (1863), статский советник (1865). С 23 апреля 1867 года — действительный статский советник; с 4 апреля 1876 года — тайный советник.
С 20 марта 1864 по 24 сентября 1868 года — московский вице-губернатор, а затем, до 11 сентября 1870 года — губернатор.
В период губернаторства уделял внимание налаживанию отношений фабрикантов Московской губернии с рабочими. После получения указания генерал-губернатора об особом наблюдении за промышленными местностями предписал городским головам понуждать владельцев фабрик к «устранению поводов к неудовольствию рабочего класса…, так как стачки весьма часто влекут за собой потерю доверия и весьма значительные убытки по приостановлению производства»[3].
.png){kind=small}
