В 1849 г. 39-летний С.И. Мальцев в чине генерал-майора вышел в отставку, занялся делами на предприятиях его отца. За два года до смерти его очень старый отец передал во владение 40-летнему Сергею Ивановичу их семейный бизнес. Энергичный и грамотный С.И. Мальцев увеличил наследство отца в 4 раза. Начавший формироваться при его отце Мальцевский промышленный, или заводской, район (округ) еще более расширился, окреп в производственном и финансово-экономическом планах, стали говорить о «Мальцовской империи». Мальцевский промышленный район простирался в Орловской, Калужской, Смоленской губерниях, имел протяженность с севера на юг – 120 км, с запада на восток – 80 км, площадь 6 тыс. кв. км. В его пределах действовали более 20 крупных заводов (в разное время 22–25) и около 130 мелких обслуживающих предприятий. В этом районе только на производстве было занято более 100 тысяч человек. Наибольшего расцвета Мальцевский район достиг в 1850 – 1860-е гг. С.И. Мальцев по своей натуре был новатором. В Мальцевском промышленном районе он решительно действовал как заводчик-новатор. Его отец в 1820 г. купил у П.Е. Демидова Людиновский и Сукремльский чугунолитейные заводы, построенные в ХVIII в. (на них выплавлять чугун начали с 1769 г.), при жизни отца он занялся их модернизацией. Вот тогда сполна пригодился его опыт изучения в 1837–1838 гг. (ему 27–28 лет) стекольного дела и металлургии, полученный им в Германии, Бельгии, Франции. С.И. Мальцев предложил для железных дорог России больше не покупать рельсы за рубежом, а делать самим; с 1841 г. (ему 31 год) его завод в Людиново выпустил первые русские рельсы
. На заводах С.И. Мальцева впервые в России были внедрены новые технологии и машины. В Людиново впервые в России и Европе ввели пудлингование на дрова, пущена первая в России мартеновская печь. Для рельсопрокатного завода в Людиново были построены не просто доменные печи, а печи принципиально нового образца. На заводе в Людиново устроили первую железнодорожную мастерскую. В Людиново также на мальцевском заводе создали первые в России паровые машины, первый винтовой двигатель для судов. На заводах С.И. Мальцева зародилось и русское пароходное дело; были построены первые русские пароходы для Десны и Днепра, а в 1858 г. – первые пароходы американского типа для Волги. На мальцевских заводах была построена и первая в России газовая печь мартеновской системы. На мальцевских заводах помогали вводить новации в России зарубежные специалисты высокого класса. Продукция Дятьковского хрустального завода С.И. Мальцева была высоко оценена в России и за рубежом, его продукция пользовалась спросом в Турции, Болгарии, Румынии. Как новатор, С.И. Мальцев освоил и внедрил на своих заводах новую технологию изготовления цветного и богемского стекла.