Ніколаеску народився 13 квітня1930 року в Румунії в Тиргу-Жіу. У віці п'яти років переїхав з батьками до міста Тімішоара. 1952 року закінчив механічний факультет Бухарестського політехнічного інституту. 1954 року покинув посаду інженера оптичного заводу. Його творча діяльність в кінематографії почалася з постановки сценаріїв і режисури науково-популярних фільмів. Його перший короткометражний фільм — «Звичайна весна» (1962 рік) — отримав міжнародну премію. Цього ж року вийшла в світ інша короткометражна робота — «Пам'ять троянд», яка також не залишилася непоміченою. 1967 року він поставив кінострічку«Даки», в якій Ніколаеску, ймовірно, запропонував публіці задуматися про парадоксальну історію румунського народу — нащадка даків і римлян — непримиренних ворогів. Далі він звернувся до «індіанської» теми, екранізувавши романи Джеймса Фенімора Купера«Слідопит» та інші. 1970 року режисер знову звернувся до історичної тематики, знявши кінострічку «Міхай Хоробрий». Це був найкращий комерційний проект румунської кінематографії.
Пізніше Ніколаеску зайнявся «легким» жанром, знімаючи «гангстерські» фільми, поставивши цілу серію кінострічок про комісара поліції Тудора Мікловану, де сам зіграв головну роль — «Чистими руками» (1972 рік), «Останній патрон» (1973 рік), «Комісар поліції звинувачує».
Усі фільми про Мікловану і Міхая Романе, поставлені не лише Серджіу Ніколаеску, а й іншими режисерами, створили серіал, який складають фільми «Комісар поліції і Маля», «Комісар поліції звинувачує», «Реванш», «Чистими руками», «Останній патрон», «Конспірація», «Важкий шлях на Тіпперарі», «Капкан». У 2008 році режисер ще раз воскресив свого улюбленого персонажа у фільмі «Що залишився в живих».
1985 року він представив свій фільм «Кільце». Для зйомок у цьому фільмі Ніколаеску проводив дуже інтенсивні тренування з боксу з екс-чемпіоном Європи. Інтенсивність цих тренувань можна порівняти з тренуваннями олімпійської команди Румунії, що відбулися паралельно в цей час. Ніколаеску на момент зйомок було 50 років.
У 1989 році Ніколаеску брав активну участь у поваленні диктатури президента Чаушеску. У 1992 році був обраний сенатором до румунського Парламенту. Також був віце-президентом комітету культури, мистецтва і засобів масової інформації. З листопада 2000 року він — віце-голова сенатської комісії з культури, мистецтва і ЗМІ, член комісії з оборони, громадського порядку та національної безпеки. Також входив до складу делегації парламенту Румунії в Парламентській асамблеї Організації з безпеки і співпраці в Європі.
Був тричі одружений і ніколи не мав дітей, про що дуже жалкував. Але він говорив, що його діти — це його фільми, за ними його пам'ятатимуть.
У січні 2008 року двічі переніс операцію на мозку внаслідок травми. Йому було 78 років. Лікарі не давали йому шансів на успіх, тому що на момент першої операції він був повністю паралізований. Йому довелося вчитися ходити, говорити і писати заново, і він з успіхом все подолав після трьох місяців напружених вправ для тіла і мозку. Проте, після цих операцій він різко змінився, за його словами: він відчув, скільки йому років, змінилася і поведінка — він став нетерплячим і дратівливим. В останні роки проблеми зі здоров'ям ускладнили йому життя. Але він і далі знімав, знімався і планував нові фільми. Його величезна пристрасть до режисерства залишилася незмінною до кінця життя. На думку фахівців в галузі кіно, таке явище рідкісне для людей у його віці.
28 грудня2012 року Ніколаеску був прооперований через розвиток перитоніту. Після операції почалися ускладнення, пов'язані з похилим віком пацієнта, 3 січня2013 року о 20:20 вечора в лікарні швидкої допомоги «Еліас» в Бухаресті Ніколаеску помер.
За два дні його тіло кремували згідно з його бажанням.
