Судьбу Сергея Дмитриева в науке определило случайное, но очень важное, как потом выяснилось, обстоятельство. Соседом по дому, где жила его семья, оказался академик Фёдор Митенков, выдающийся физик, Герой Социалистического Труда, руководивший одним из «закрытых» оборонных предприятий, которое разрабатывало и выпускало ядерные энергетические установки (сейчас это ОКБМ «Африкантов», входит в госкорпорацию «Росатом»). А для юного Сергея он был просто соседом, с которым общались запросто: Фёдор Михайлович давал почитать интересные книги, доходчиво рассказывал о том, что такое атомная энергия и как ею можно управлять. Так что ко времени окончания школы Дмитриев уже вполне осознанно решил, что будет физиком-ядерщиком.
Сомнений по поводу того, в какой вуз пойти, тоже не было: Горьковский политех для Дмитриевых — институт семейный. Отец Сергея Михайловича, всю жизнь проработавший в «оборонке», поступил сюда ещё до войны, потом с четвёртого курса ушёл на фронт, а после победы вернулся на студенческую скамью и получил диплом радиоинженера. Так что выбор был очевидным: документы Дмитриев-младший подал тоже в Горьковский политехнический институт, на физико-технический факультет.
Уже в студенческие годы он серьёзно увлёкся научной работой. Пришлись по душе и сам процесс осознанного получения фундаментальных знаний, и экспериментальная работа, и — главное — возможность самостоятельно искать и находить путь к поставленной цели, даже когда приходилось начинать его раз за разом заново, решая очередную задачу (сказались природное упорство и желание быть первым в своём деле). Потом были увлекательные производственные практики на атомных станциях — Белоярской, Кольской АЭС. Так ядерная энергетика стала делом его жизни.
Желание продолжать заниматься наукой вполне логично привело Дмитриева после окончания с отличием физтеха Горьковского политехнического института на кафедру «Атомные электростанции». Работал в должностях инженера и ассистента, параллельно шла учёба в аспирантуре. В 1986 г. он защитил кандидатскую диссертацию, после чего был представлен к учёному званию доцента, а в 1996 г. — уже после защиты докторской диссертации — ему было присвоено учёное звание профессора. В 2003 г. Сергей Михайлович Дмитриев избран заведующим кафедрой атомных, тепловых станций и медицинской инженерии (которую, кстати, возглавляет и по сей день).