Всесторонними были познания и интересы великого князя. Он состоял почетным членом Императорской академии наук, ведущих высших духовных и светских учебных заведений Российской империи, председателем и покровителем многих культурных и благотворительных заведений. Сергей Александрович был также председателем управления Исторического музея, почетным членом Московского археологического общества, возглавлял Комитет по устройству Музея изящных искусств имени императора Александра III, принимал активное участие в восстановлении древних археологических памятников. Благодаря его усилиям было создано Православное Палестинское общество. Значительные суммы, пожертвованные князем на раскопки в Святой земле, позволили уточнить расположение многих мест, связанных с земной жизнью Спасителя.
Великого князя Сергея Александровича высоко ценили русская элита, художники, музыканты, историки, писатели, ученые, церковные деятели. Сергей Александрович, как и его брат Павел Александрович, был хорошо знаком с Ф. М. Достоевским.
Моральные качества царских сыновей высоко оценивали современники. Архимандрит Антонин после знакомства с великими князьями писал В. Н. Хитрово: «Независимо от своего царского рода и положения, это наилучшие люди, каких я только видел на свете. Да пребудет с ними и в них вовек неотступно благодать Божья! Меня они очаровали своей чистотой, искренностью, приветливостью и глубоким благочестием в духе Православной церкви…»
Великий князь Сергей Александрович был убежденным сторонником незыблемости тысячелетнего государственного строя России, что не мешало ему оставаться человеком широких и современных взглядов. Он был противником Русско-японской войны 1904–1905 годов, в области социальной политики защищал истинные интересы нуждающихся и покровительствовал рабочим организациям. Вместе с тем Сергей Александрович был непримирим к бунтовщикам и революционерам, ко всем тем, кто хотел разрушить Россию, и был активным сторонником применения жестких мер в борьбе с террористами.
4 февраля 1905 года в 2 часа 50 минут пополудни, когда Сергей Александрович в карете без охраны выехал из Малого Николаевского дворца в Кремле, неожиданно прогремел взрыв. Он был такой силы, что в здании Судебных установлений и в здании Арсенала вылетели окна. Князь был буквально разорван на куски. Елизавета Федоровна, приехавшая на место покушения, собирала останки мужа по частям.
Официальный источник того времени так описывает момент убийства князя:
«4 февраля 1905 г. в Москве, в то время, когда великий князь Сергей Александрович проезжал в карете из Никольского дворца на Тверскую, на Сенатской площади, в расстоянии 65 метров от Никольских ворот, неизвестный злоумышленник бросил в карету Его Высочества бомбу. Взрывом, происшедшим от разорвавшейся бомбы, Великий Князь был убит на месте, а сидевшему на козлах кучеру Андрею Рудинкину были причинены многочисленные тяжкие телесные повреждения. Тело Великого Князя оказалось обезображенным, причем голова, шея, верхняя часть груди с левым плечом и рукой были оторваны и совершенно разрушены, левая нога переломлена, с раздроблением бедра, от которого отделилась нижняя его часть, голень и стопа. Силой произведенного злоумышленником взрыва кузов кареты, в которой следовал Великий Князь, был расщеплен на мелкие куски…»
Гроб с останками князя был выставлен для прощания в Алексеевской церкви Кафедрального Чудова монастыря. Длинной вереницей шли москвичи в Кремль, чтобы проститься с великим князем. Многие простаивали по пять-шесть часов. Вне очереди допускались гимназисты, солдаты и офицеры. Было огромное число депутаций от различных учреждений и обществ. Все это свидетельствовало о большом уважении и любви, которыми пользовался великий князь в широких кругах общественности России.
Злодеяние на Сенатской площади Кремля вызвало возмущение по всей России. Друг Л. Н. Толстого врач Д. Маковицкий вспоминал, что Лев Николаевич, знавший и ценивший великого князя, был потрясен происшедшим.«…Видно было, что он прямо физически страдал. Был ужасно расстроенным, глаза у него блестели в лихорадке и глубоко ввалились».