Сергей Дворцевой родился в 1962 году в Чимкенте (Казахстан). Родители работали инженерами. В 1982 году поступил в авиационное училище в Кривом Роге, до 1990 года работал в Чимкентском авиаотряде. В 1988 году окончил заочное отделение Новосибирского электротехнического института. В 1990 году поступил на Высшие курсы сценаристов и режиссеров в Москве (мастерская Л. Гуревича, С. Зеликина). Вскоре снял первые документальные фильмы «Счастье» и «Хлебный день», которые получили несколько десятков Гран-при международных кинофестивалей. Первый художественный фильм «Тюльпан» — о жизни чабанов в казахской степи — вышел в 2008 году (главный приз в конкурсной программе «Особый взгляд» Каннского кинофестиваля). С 2012 года снимал фильм «Айка» — о жизни мигрантов. В фильме всего несколько профессиональных актеров, остальные — либо мигранты, либо бывшие мигранты. По манере это почти документальное кино. Лауреат премии «Ника» (2000).