Химик, академик АН СССР (1932).
Основные научные исследования посвящены полимеризации, изомеризации и гидрогенизации непредельных соединений. Впервые исследовал кинетику и механизм термической полимеризации диеновых углеводородов ряда дивинила и аллена, установил условия раздельного получения циклических димеров ряда циклогексана, с одной стороны, и полимеров, с другой; определил зависимость полимеризации от структуры исходных углеводородов.
Впервые получил образец синтетического бутадиенового каучука. Его книга «Исследование в области полимеризации двуэтиленовых углеводородов» впоследствии стала научной основой промышленного синтеза каучука. Разработал одностадийный промышленный способ получения бутадиена из этилового спирта путем совмещенной каталитической реакции дегидрогенизации и дегидратации на смешанном цинк-алюминиевом катализаторе.
Получил синтетический каучук полимеризацией бутадиена под действием металлического натрия. На основе этого каучука разработал методы получения резины и резинотехнических изделий. С 1932 г. по способу Лебедева в СССР начала создаваться впервые в мире промышленность синтетического каучука. Осуществил цикл исследований в области гидрогенизации этиленовых углеводородов, установил зависимость скорости присоединения водорода по двойной связи от величины, природы и местоположения заместителей в молекуле этилена.
Разработал способы получения из нефтяных фракций загустителей смазочных масел, используемых в производстве высоковязких смазок для авиационных двигателей. Всесоюзному НИИ синтетического каучука присвоено имя С.В. Лебедева.
В Российском государственном архиве в г. Самаре на постоянном хранении находятся заявочные материалы на изобретения Лебедева С.В. (Ф. Р-1).
Перечень этих документов представлен в базах данных «Выдающиеся деятели науки и техники» и «Патентный каталог».
Подробнее с документами и базами данных можно ознакомиться в читальном зале архива по адресу: г. Самара, ул. Мичурина, д. 58.