В составе Рущукского отряда Сергей Александрович принял участие в бою с турками у села Кошево, за что был удостоен высшей военной награды ордена Святого Георгия 4-й степени. В конце 1878 года Сергей с императорской свитой вернулся из Болгарии в Петербург.
В 1882 году великий князь Сергей стал командиром 1-го батальона гвардейского Преображенского полка. Это старейшее и аристократическое боевое соединения русской армии, образованное из числа потешных войск Петром I, и славившееся своими несомненными боевыми заслугами. В 1887 году великий князь был произведен в генерал-майоры и назначен командиром преображенцев.
Будучи сыном императора, Сергей Александрович без особых усилий продвигался по служебной лестнице. В 1891 году он стал генерал-адъютантом и был назначен генерал-губернатором Москвы.
Великий князь Сергей Александрович был противоречивой фигурой среди членов императорской фамилии. Уже в юности он отличался артистическими способностями, был одним из самых привлекательных и статных из сыновей Александра II. Высокого роста, хорошего телосложения, с тонкими чертами лица; он имел светлые волосы и серо-зелёные глаза. Великий князь любил читать, хорошо разбирался в музыке и танцах.
Совершенно особое место в жизни великого князя Сергея занимает организованное и возглавляемое им до своей смерти Императорское православное Палестинское общество.
Общество было создано, для поддержания православия в Палестине и организации паломничества русских верующих в «Святую землю». Палестинское общество проводило большую просветительскую и научную работу, оказывало поддержку христианским общинам на Ближнем Востоке.
На личные средства великого князя в Иерусалиме велись археологические раскопки, в частности было установлено местоположение Голгофы, обнаружена часть древней городской стены, сделаны другие открытия и находки.
Кроме того, Сергей Александрович возглавлял и был попечителем множества различных научных, общественных и благотворительных учреждений и обществ.
Вот наименования некоторых организаций, в работе которых принимал участие великий князь: – Археологический институт в Константинополе, Археологическое общество в Пскове, Богадельня цесаревича Николая Александровича в Петербурге, Братство преподобного Сергия при Симбирской гимназии, Костромское Фёдоро-Сергиевское братство, Московское общество охоты, Общество взаимопомощи бывших воспитанников 2-го кадетского корпуса, Общество призрения престарелых артистов, Общество счётоводов, Общество художников исторической живописи, Московское общество призрения, воспитания и обучения слепых детей и многие другие.
В тоже время про великого князя ходили различные слухи. Некоторые утверждали о его гомосексуальных наклонностях. Об этом косвенно упоминает в своих воспоминаниях министр иностранных дел граф Владимир Николаевич Ламсдорф.
Содержательница столичного великосветского салона супруга генерала Е. Богдановича – А. В. Богданович передавала в своём дневнике слова Царско-сельской подруги о том, что «Сергей Александрович живёт со своим адъютантом Мартыновым, что жене предлагал не раз выбрать себе мужа из окружающих ее людей». Имеются и другие, правда, косвенные, свидетельства по этому поводу.
Сведения о сексуальных предпочтениях Сергея Александровича не всеми считаются достоверными, а среди ряда монархически настроенных православных имеется течение за канонизацию князя и даже пишутся его «иконы».
Придворный чиновник генерал А. А. Мосолов, долго служивший при Дворе и хорошо знавший Сергея Александровича, в мемуарах, ничего не говорит о личной жизни великого князя, дает ему следующую характеристику: «Очень высокого роста, весьма породистой красоты и чрезвычайно элегантный, он производил впечатление исключительно холодного человека.… Офицеры Преображенского полка, которым он много лет командовал, очень любили Его Высочество. Государь относился к нему с явным уважением, но, по-видимому, особенной интимности между дядей и племянником не было, хотя они были женаты на двух сестрах, к тому же очень дружных. Симпатии вел. князя клонились к крайне реакционным течениям, но влияние его на императора не сказывалось».
Высоко ценил Сергея Александровича его политический противник граф С.Ю. Витте, писавший: «Великий князь Сергей Александрович, по существу, был весьма благородный и честный человек… К памяти его я отношусь с уважением…».
По словам очевидцев, писатель Лев Толстой, узнавший о смерти великого князя в феврале 1905 года, «прямо физически страдал». Ему было глубоко, по-человечески жаль убитого.
Разобраться в характере и деятельности великого князя Сергея Александровича ещё предстоит. Ясно только одно, что воспитанный в культурной среде и окружённый талантливыми людьми, великий князь не мог быть посредственностью. Сложность его характера многим была не понятна, поэтому на него часто незаслуженно навешивали различные ярлыки.