Сергей Фадеев родился 28 сентября 1919 года в городе Ставрополь. Рос в семье крестьянина. Окончил 5 классов. Жил в селе Актаныш Актанышского района Татарской АССР. Работал каменщиком на строительстве Березниковского химического комбината в Соликамске. С 19939 года проходил службу на Тихоокеанском флоте в береговой артиллерии во Владивостоке.

С 1943 года на фронтах Великой Отечественной войны. Наводчик орудия 729-го отдельного истребительно-противотанкового дивизиона 16-го танкового корпуса рядовой Фадеев отличился в боях у села Ольховатка на Курской дуге. 6 июля 1943 при отражении танковой атаки противника с расчетом орудия подбил 11 вражеских машин, из них 5 тяжелых. Был ранен, но не покинул поля боя. Занимаемый рубеж был удержан.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 21 марта 1940 года за образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные при этом отвагу и геройство Фадееву Сергею Михайловичу присвоено звание Героя Советского Союзас вручением ордена Ленина и медали «Золотая Звезда».

В 1944 году комиссован по инвалидности. Жил в городе Березники Пермского края, а с октября 1945 года - в городе Самара, где работал в управлении дачного кооператива, а затем - на заводе имени Масленникова.

После войны, в конце 1940 годов приехал на Сахалин, жил в городе Невельск, работал слесарем-монтажником в Невельском стройуправлении №3. Затем вернулся в город Самара.

Скончался 10 октября 1952 года.

Награжден орденом Ленина и медалями. Именем Героя названа улица в Тольятти.