Сергей Николаев родился 5 февраля 1988 года в городе Ижевск, Удмуртская Республика. Активно заниматься велоспортом начал в раннем детстве, проходил подготовку в детско-юношеской спортивной школе в родном городе и Самарской школе высшего спортивного мастерства. В разное время тренировался под руководством В.В. Иванова, А.С. Водяникова, П.К. Григорьева. Состоял в Центральном спортивном клубе Военно-воздушных сил Российской Федерации.

В молодости Сергей увлекался катанием на горном велосипеде. В 2007 году выступал на профессиональном уровне в составе Ижевской команды «Format-Udmurtia», однако в конечном счете сделал выбор в пользу шоссейного велоспорта.

Первого серьезного успеха на шоссе добился в 2009 году, приняв участие в многодневной гонке в Республике и стал серебряным призером четвертого этапа. Год спустя вновь проехал все этапы гонки, в том числе взял бронзовую медаль в прологе. Еще через год выиграл бронзу на Чемпионате России по горовосхождению, заняв третье место на пятом этапе «Гран-при Адыгеи». Финишировал четвертым на «Гран-при Москвы», участвовал в зачете всероссийского многодневного национального Первенства «Дружба народов Северного Кавказа».

В 2012 году Николаев выиграл пролог «Всероссийской гонки памяти Виктора Капитонова», стал призером на большинстве этапов «Дружбы народов Северного Кавказа», расположившись в итоговой генеральной классификации на второй строке. В тот же период показал третий результат на пятом этапе «Гран-при Адыгеи» и четвертом этапе многодневной гонки «Пять колец Москвы».

Спортсмен провел в континентальной команде «Итера-Катюша» первую половину 2013 года. Вторую половину являлся стажером в «Катюше», выступающей в Мировом туре. В этот период одержал победу в общем зачете «Всероссийской гонки памяти Виктора Капитонова», успешно выступил на «Туре Словакии», выиграв второй этап, заняв второе место на третьем этапе и разместившись в итоговом протоколе на пятой позиции. Сергей сумел попасть в число призеров на этапах «Тура Сербии», «Пять Колец Москвы», «Дружба народов Северного Кавказа», «Гран-при Сочи». Вместе с партнерами по команде одержал победу в командной гонке с раздельным стартом на «Туре Фьордов».

Сезон 2014 года Сергей Николаев в основном провел на дорогах континентального тура. Стал призером этапов «Тура Нормандии» и «Тура Бретани» во Франции, успешно проехал «Тур Словакии» и «Тур Сербии», занял пятое место на «Гран-при Сараево» в Боснии и Герцеговине, выиграл пролог «Пяти колец Москвы», занял 9 место в генеральной классификации «Гран-при Адыгеи», финишировал 8 на «Пореч Трофи» в Хорватии. Завоевал Кубок России по велокроссу.

На соревнованиях Николаев представляет Самарскую область. Является мастером спорта.