С. И. Мальцов получил хорошее домашнее образование: кроме гуманитарных дисциплин изучал механику, химию, физику, металлургию и другие науки, прекрасно знал иностранные языки. По достижении необходимого возраста он был определен офицером в кавалерию и быстро достиг высоких чинов. Воинская служба в качестве адъютанта при одном из членов царской семьи не была обременительной и оставляла ему много времени, которое он использовал для поездок за границу, для изучения металлургического дела и усвоения новейших достижений в технике.
С молодости Сергей Иванович интересовался заводским делом и вынашивал обширные проекты развития семейных предприятий. Поэтому в 1849 г., несмотря на ожидавшую его блестящую будущность при дворе, он вышел в отставку в чине генерал-майора и уехал в родовое имение Дятьково, чтобы полностью посвятить себя управлению фамильными заводами. Однако начал он свою деятельность с реализации давней своей задумки — постройки в Симеизском поместье хрустального дворца.
Для этого уникального сооружения на Людиновском железоделательном заводе изготовили деревянный сруб и металлический каркас, которые затем доставили на лошадях в Крым. Двухэтажный хрустальный дворец поставили на высоком холме, он, по словам очевидцев, внешне напоминал гигантский фонарь, составленный из огромных рам со стеклами. Современники утверждали, что хрустальный дворец в Крыму генерал соорудил, «чтобы громче заявить о себе». Удивила всех своей необычностью и церковь, выстроенная Мальцевым в Людиново. Это был единственный не только в России, но, наверное, во всем мире храм с хрустальным иконостасом и паникадилами. Кстати, и другие церкви мальцовского промышленного округа тоже были украшены хрусталем.
После смерти отца Сергей Иванович стал крупнейшим землевладельцем в центральной части России, полновластным хозяином 22 заводов, на которых работало 13–15 тыс. человек, он сделал немало, чтобы модернизировать это хозяйство. Познакомившись с устройством фабрик по производству стекла в Германии, Франции и Бельгии, Сергей Иванович наладил в Дятькове производство цветного и богемского стекла. Именно на этом заводе начали впервые производить изделия с мозаичной гранью. Мальцов создал также новое вспомогательное производство для обеспечения рабочего населения необходимыми товарами: кирпичное, смолокуренное, канатное, лесопильное, писчебумажное, водочное. Для улучшения стекольного дела он открыл содовый завод. Нашел рынки сбыта хрусталя в Румынии, Болгарии, Турции.
С переоборудованного Людиновского завода вышли первые русские рельсы для Николаевской железной дороги, первая паровая машина для Петербургского и Киевского арсеналов, а также Тульского оружейного завода. Первый винтовой двигатель для русского корвета «Воин» и первый пароход, появившийся на Днепре и Десне, тоже были сделаны на заводах Мальцова. На его предприятиях изготавливались паровые молотилки, успешно конкурировавшие с зарубежными, там же знаменитым английским инженером Кинкелем была пущена и первая мартеновская печь. В 1877 г. Сергеем Ивановичем была проложена первая узкоколейная 290-верстная железная дорога, с устройством которой в России стал известен особый, так называемый мальцовский, тип железных дорог.
Разносторонняя деятельность династии Мальцевых привела к образованию одного из первых в России универсальных промышленных районов, «фабрично-заводского царства», со своими вотчинными предприятиями, своими законами и деньгами, полицией и даже своей особой формой одежды для рабочих. Здесь производилось все необходимое для жизни: строительные материалы, посуда, мебель, сельхозпродукты и пр. Извне поступали только мануфактурные и «колониальные» товары. Общая площадь «мальцовского промышленного района» составляла 6 тыс. кв. километров, здесь находилось до 25 крупных заводов и около 130 мелких обслуживающих предприятий, численность населения округа достигала 100 тыс. человек.
Период 50-60-х гг. XIX в. стал наиболее благоприятным для мальцовских предприятий. О подъеме этого промышленного района В. И. Немирович-Данченко писал: «Царство это является оазисом среди окружающего бездорожья и бескормицы. Тут работают более ста заводов и фабрик; на десятках образцовых ферм обрабатывается земля. Тут люди пробуравили землю и, как черви в орехе, копошатся в ней, вынося на свет Божий ее скрытое богатство. Отсюда добрая часть нашего Отечества снабжается стеклом, фаянсом, железом, сталью, паровозами, вагонами, рельсами, паркетами, всевозможными машинами, земледельческими орудиями. Здесь нет роскоши и излишеств, — нет и нищеты, нет и голодовок».