Сергей Иванович Нефёдов родился 21 июня 1947 года в Ростове-на-Дону.
В 1962 году окончил среднюю школу № 52, работал слесарем-сборщиком на заводе "Пролетарский молот".
В 1966—1969 годах проходил срочную службу в Советской Армии, окончил школу авиационных специалистов в Прикарпатском военном округе и служил в Москве испытателем авиационно-космических систем жизнеобеспечения и спасения в одном из НИИ Минобороны СССР.
С 1969 по 1976 годы работал испытателем в Московском институте медико-биологических проблем Министерства здравоохранения СССР. Эксперименты и испытания: пребывание под воздействием 8-кратной силы тяжести в течение 17 минут и под воздействием 12-кратной силы тяжести в течение 3 минут; провел 56 суток в иммерсионной среде — в условиях жёсткой имитации невесомости.
В 1997 году Указом Президента РФ от 17 ноября 1997 года за мужество и героизм, проявленные при испытаниях, связанных с освоением космического пространства, Нефёдову Сергею Ивановичу присвоено звание Героя России (этим же Указом звание Героя присвоено его коллегам - испытателям медико-биологических проблем).
С 1976 года трудился в авиакомплексе "Шереметево" на инженерных и командных должностях.
В 1981 году окончил Московский институт инженеров гражданской авиации.
С 2001 года — заместитель директора ОАО Булочно-кондитерский комбинат "Серебряный бор".
Почетный академик Российской академии космонавтики. Является председателем совета Мужества и отваги Общероссийской общественной организации "Офицеры России".
Живёт в Москве. Занимается политической деятельностью. Летом 2015 года вошёл в список партии "Гражданская инициатива" на выборах в Закуонодательное собрание Калужской области, которые прошли 13 сентября 2015 года.
Выдвинут в кандидаты Госдумы от РППС по региональной группе Москва под № 2.