Между тем, в бурлящей Москве, великий князь стал главной мишенью для революционеров. Эсерами он был приговорён к смерти. Ими был разработан план уничтожения бывшего Московского губернатора. Террористический акт был совершён 4 февраля 1905 года в Кремле в 3 часа дня.
Великий князь ехал в карете, когда экипаж поравнялся с террористом Каляевым, последний бросил заготовленное самодельное взрывное устройство. Раздался страшный взрыв. Карету разнесло в щепки. В окнах ближайшего здания Сената вылетели стёкла. Тело Сергея Александровича было разорвано на куски.
Останки великого князя Сергея похоронили в Кремле в Чудовом монастыре, его усыпальница находилась в подклете Алексеевской церкви. Склеп великого князя находился под полом, точно под ракой святителя Алексия.
В 1930 году Чудов монастырь был уничтожен. В 1995 году останки великого князя были перезахоронены в Новоспасском монастыре.
На месте гибели великого князя в 1908 году был установлен памятник, высокий бронзовый крест, изготовленный по проекту художника Виктора Михайловича Васнецова. 1 мая 1918 года крест был уничтожен сотрудниками ВЦИК и Совнаркома, во главе с его председателем В.И. Лениным.
Всё своё имущество Сергей Александрович ещё при жизни завещал своим воспитанникам. Он владел дворцом в Петербурге, на Невском проспекте, это бывший дворец князей Белосельских-Белозерских, имениями Ильинское и Усово в Звенигородском уезде Московской губернии, около 1000 десятин земли, имением Долбинкино Дмитровского уезда Орловской губернии, 17 300 десятин земли, винокуренным и кирпичным заводами и лесопильней.
Его наследниками являлись приёмные дети Дмитрий и Мария, до совершеннолетия которых управлять состоянием должна была Елизавета Фёдоровна, без права отчуждения владений, распоряжаясь лишь процентами с доходов.
Особое место в жизни Сергея Александровича занимал его брат Павел. С раннего детства Сергей Александрович был дружен со своим младшим братом Павлом. У них в детстве была одна воспитательница. Они вместе играли и росли. Однако как старший брат Сергей чувствовал по отношению к Павлу обязанность быть его наставником и проявлял о брате заботу. Это положение сохранялось и впоследствии, когда браться стали взрослыми людьми и обзавелись семьями.
После женитьбы Павла Александровича его супруга греческая принцесса Александра Георгиевна была хорошо принята в семье Сергея Александровича. Что называется, братья дружили семьями. Смерть Александры Георгиевны великий князь Сергей тяжело переживал и хранил память о ней. В своём имение Ильинское, где умерла великая княгиня Александра Георгиевна, Сергей Александрович оставил нетронутыми комнаты, в которых она провела свои последние часы.
Своих детей у Сергея Александровича и его супруги Елизаветы Фёдоровны не было. Поэтому дети брата Павла стали для великого князя Сергея родными. Он с раннего детства участвовал в их воспитании и деспотически обожал их.
Поступок брата, решившего на второй неравнородный брак великий князь Сергей Александрович резко осудил. Это привело к разрыву отношений между братьями. Сергей Александрович не мог простить брату, как он считал, предательство памяти его покойной супруги.
Однако в душе Сергей Александрович был рад, так как становился полновластным обладателем любимых племянников, которые полностью попадали под его покровительство.
Дети искренне любили своего опекуна, но, в то же время, немного его побаивались.
Такую характеристику дала ему Мария: «Мой дядя, великий князь Сергей Александрович, был удивительным, но непонятным для меня человеком».
Сергей Александрович был женат на принцессе Елизавете Александре Луизе Алисе Гессен-Дармштадской, в России получившей имя Елизаветы Фёдоровны, в семейном кругу ее называли Эллой. Свадьба состоялась в Петербурге в 1884 году, когда невесте исполнилось 19 лет.
Принцесса Елизавета была второй дочерью великого герцога Гессен-Дармштадского Людвига, происходившего из древнейшего владетельного дома Европы, и английской принцессы Алисы, и приходилась родной сестрой Александре Фёдоровне, супруге последнего русского императора.
Она родилась 20 октября 1864 года. Воспитывалась Елизавета вместе со своими братьями и сёстрами в Великобритании при дворе своей бабки королевы Виктории в строгих пуританских традициях. Большую роль в духовной жизни семьи играл образ святой Елизаветы Тюрингской, в честь которой была названа Элла: эта святая, происходившая из рода герцогов Гессенских, и прославилась делами милосердия.
Елизавета Фёдоровна познакомилась со своим будущим мужем ещё в детстве, когда мать великого князя Сергея императрица Мария Александровна, приезжала погостить с детьми в Германию.
Елизавета была очень красивой и стройной девушкой с прекрасными чертами лица, которой все без исключений восхищались. Она была набожна и обладала прекрасным характером. Была хорошо образована, неплохо рисовала и музицировала. Знавшие принцессу лица утверждали, что Елизавета была красивейшей невестой Европы.