Сергей Николаевич родился 7 июля 1903 года в Санкт-Петербурге, в семье герцога Николая Николаевича Лейхтенбергского и Марии Николаевны Граббе. Правнук русского императора Николая I и праправнук французской императрицы Жозефины Богарне-Бонапарт.
Известно, что Сергей Николаевич в годы Гражданской войны находился при своём отце Николае Николаевиче, который начинал свою борьбу в Киеве, а позднее был полномочным послом генерала Петра Краснова в Берлине. В 1920 году, как и все члены семей герцогов Лейхтенбергских, отправился с семьей в эмиграцию. Вместе с родителями он уехал во Францию, где поступил в Высшую техническую школу в Лилле. В 1925 году получил диплом инженера-электрика. В 1932 году Сергей Николаевич окончил унтер-офицерскую школу РОВС.¹
В 1930 году вступил в Национальный Союз Русской Молодежи, который с 1931 года стал называться Национально-Трудовой Союз Нового Поколения (НТСНП). Герцог был избран почётным председателем Союза. Также он руководил Французским отделом организации. В конце 1933 года из-за внутренних неурядиц и несогласованности деятельности Союза во Франции, которую блокировала “внутренняя линия” РОВСа, Сергей Николаевич был смещен с поста председателя Союза. Позже летом 1934 года герцога на посту председателя отдела во Франции заменил Владимир Поремский.² В 1937 году Сергей Николаевич переехал в Лейпциг, на чём деятельность герцога в рамках Союза закончилась.³
С началом Второй мировой войны начал сотрудничать с нацистами. В качестве переводчика проходил службу в 9-й немецкой армии, был руководителем подразделения пропаганды Ржевской комендатуры, а также штаба 6-го Армейского корпуса.⁴ Трудился в аппарате Комитета Освобождения Народов России (КОНР).⁵ После окончания войны перебрался в Нью-Йорк. Скончался 27 июня 1966 года в Монтерее, штат Калифорния.