После окончания морского училища служил на кораблях эскадры Тихого океана. С 1871 г. — на Балтийском флоте. В 1876 г. обосновал необходимость и положил начало созданию миноносных кораблей и торпедных катеров. Во время русско-турецкой войны 1877—1878 гг. впервые в России использовал самодвижущуюся мину-торпеду. Совершил два кругосветных плавания (1886—1889 гг. и 1894—1896 гг.). В 90-х гг. изобрел бронебойные наконечники к артиллерийским снарядам. В 1896 г. выдвинул идею создания мощного ледокола для исследования Арктики и руководил строительством ледокола «Ермак». После начала Русско-японской войны 1904-1905 гг. назначен командующим Тихоокеанской эскадрой. Успешно командовал кораблями эскадры при обороне Порт-Артура. Погиб 13.04.1904 г. на броненосце «Петропавловск», подорвавшемся на мине. В 1913 г. и Кронштадте установлен памятник С.О. Макарову с надписью «Помни войну» работы Л.В. Шервуда.