Сергей Михайлович родился в родовом имении Прокудиных-Горских Фуникова Гора в Покровском уезде Владимирской губернии. Посещал Александровский лицей, позже слушал лекции в Санкт-Петербургском университете.

          В 1890-м году Сергей поступил на государственную службу.  В том же году он женился на Анне Лавровой, отец которой занимался металлургией и возглавлял товарищество специализированных заводов.

В 1897 году Прокудин-Горский начал делать доклады о технических результатах своих фотографических исследований Императорскому Русскому Техническому обществу. Через год опубликовал первые книги из серии работ по техническим аспектам фотографии.

2 августа 1901 года в Петербурге открылась «фотоцинкографическая и фототехническая мастерская» С.М. Прокудина-Горского, где в 1906—1909 годах располагалась лаборатория и редакция журнала «Фотограф-любитель».

13 декабря 1902 года Прокудин-Горский впервые объявил о создании цветных диапозитивов по методу трёхцветной фотографии А. Мите.

В 1904 году Прокудин-Горский снимал цветные фотографии Дагестана, Черноморского побережья и Лужского уезда Санкт-Петербургской губернии. Через год совершил первую большую фотопоездку по Российской империи, в ходе которой снял около 400 цветных фотографий Кавказа, Крыма и Украины.

В мае 1908 года Прокудин-Горский ездил в Ясную Поляну, где сделал серию снимков, в том числе несколько цветных фотографических портретов Льва Николаевича Толстого.

фото Толстого

Прокудин-Горский выступал с лекциями о своих достижениях в области цветной фотографии, используя диапозитивы, в Императорском Русском техническом обществе, Петербургском фотографическом обществе и в других учреждениях города.

В 1909—1916 годах Прокудин-Горский объездил значительную часть Российской империи, фотографируя старинные храмы, монастыри, заводы, виды городов и разнообразные бытовые сцены.

Вскоре после Октябрьской революции 1917 года Прокудин-Горский участвовал в создании Высшего института фотографии и фототехники (ВИФФ), который был официально учреждён декретом от 9 сентября 1918 года, уже после отъезда Прокудина-Горского за границу. Его последняя коллекция фотографий демонстрировалась в России 19 марта 1918 года в Зимнем дворце.

Переехав в 1922 году в Ниццу, Прокудин-Горский работал вместе с братьями Люмьер. До середины 1930-х годов фотограф занимался просветительской деятельностью во Франции. Скончался Сергей Михайлович Прокудин-Горский в Париже спустя несколько недель после освобождения города от немецких войск союзниками. Похоронен на русском кладбище Сент-Женевьев-де-Буа.