Сергей Петропавловский родился в 1886 году. В 1904 году вступил в Российскую социал-демократическую рабочую партию. Принимал активное участие в революционных событиях. После Октябрьской революции 1917 года находился на ответственной партийной работе.
В период с 7 августа 1925 по 30 августа 1927 года Петропавловский являлся ответственным секретарем Крымского областного комитета РКП(б).
В 1935 году Сергей Дмитриевич стал ученым секретарем Отделения технических наук Академии наук СССР. Также являлся референтом президента Академии наук СССР Владимира Леонтьевича Комарова.
С апреля 1938 года Сергей Петропавловский исполнял обязанности старшего научного сотрудника Института истории Академии наук СССР. Затем занимал должность секретаря партийного бюро ВКП(б) Института истории Академии наук СССР.
Сергей Дмитриевич Петропавловский погиб во время Великой Отечественной войны.