Всесторонни были познания и интересы великого князя. Он состоял почетным членом Императорской Академии наук, ведущих высших духовных и светских учебных заведений Российской Империи, председателем и покровителем многих культурных и благотворительных заведений. Сергей Александрович был также председателем управления Исторического музея, почетным членом Московского Археологического общества, возглавлял Комитет по устройству Музея изящных искусств имени Императора Александра III (с 1937 года Музей им. А.С. Пушкина на Волхонке), принимал активное участие в восстановлении древних археологических памятников. Благодаря его усилиям было создано Православное Палестинское Общество. Значительные суммы, пожертвованные князем на раскопки в Святой Земле, позволили уточнить расположение многих мест, связанных с земной жизнью Спасителя.
Великого князя Сергея Александровича высоко ценила русская элита, художники, музыканты, историки, писатели, ученые, церковные деятели.
Сергей Александрович, как и его брат Павел Александрович, был хорошо знаком с Ф. Достоевским.
Моральные качества царских сыновей высоко оценивали современники. Архимандрит Антонин после знакомства с великими князьями писал В.Н. Хитрово: «Независимо от своего царского рода и положения, это наилучшие люди, каких я только видел на свете. Да пребудет с ними и в них вовек неотступно благодать Божья! Меня они очаровали своей чистотой, искренностью, приветливостью и глубоким благочестием в духе Православной церкви…»
Великий князь Сергей Александрович был убежденным сторонником незыблемости тысячелетнего государственного строя России, что не мешало ему оставаться человеком широких и современных взглядов. Он был противником русско-японской войны 1905–1906 годов. В области социальной политики защищал истинные интересы нуждающихся и покровительствовал рабочим организациям. Вместе с тем, Сергей Александрович был непримирим к бунтовщикам и революционерам, ко всем тем, кто хотел разрушить Россию и был активным сторонником применения жестких мер в борьбе с террористами.
4 февраля 1905 года в 2 часа 50 минут пополудни, когда Сергей Александрович выехал из Малого Николаевского дворца в Кремле, в карете без охраны, неожиданно прогремел взрыв. Он был такой силы, что в здании Судебных Установлений и в здании Арсенала вылетели окна. Князь был буквально разорван в куски. Елизавета Федоровна, приехавшая на место покушения, собирала останки тела мужа по частям.
Официальный источник того времени так описывает момент убийства князя: «4 февраля 1905 года в Москве, в то время, когда великий князь Сергей Александрович проезжал в карете из Никольского дворца на Тверскую, на Сенатской площади, в расстоянии 65 метров от Никольских ворот. Неизвестный злоумышленник бросил в карету его высочества бомбу. Взрывом, происшедшем от разорвавшейся бомбы, великий князь был убит на месте, а сидевшему на козлах кучеру Андрею Рудинкину были причинены многочисленные тяжкие телесные повреждения. Тело великого князя оказалось обезображенным, причем голова, шея, верхняя часть груди, с левым плечом и рукой. Были оторваны и совершенно разрушены, левая нога переломлена, с раздроблением бедра, от которого отделилась нижняя его часть, голень и стопа. Силой произведенного злоумышленником взрыва кузов кареты, в которой следовал великий князь, был расщеплен на мелкие куски…».
Гроб с останками князя был выставлен для прощанья в Алексеевской церкви Кафедрального Чудова монастыря. Длинной вереницей шли москвичи в Кремль, чтобы проститься с великим князем. Многие простаивали по пять-шесть часов. Вне очереди допускались гимназисты, солдаты и офицеры. Было огромное число депутаций от различных учреждений и обществ. Все это свидетельствовало о большом уважении и любви, которыми пользовался великий князь в широких кругах общественности России.
Злодеяние на Сенатской площади Кремля вызвало возмущение по всей России. Друг Л.Н. Толстого, врач Д. Маковицкий вспоминал, что Лев Николаевич, знавший и ценивший великого князя был потрясен происшедшим. «…Видно было, что он прямо физически страдал. Был ужасно расстроенным, глаза у него блестели в лихорадке и глубоко ввалились».
По проекту известного художника Виктора Михайловича Васнецова на месте взрыва был установлен большой крест в древнерусском стиле с евангельской надписью: «Прости им Господи, ибо не ведают, что творят».
