Покинул Россию вместе с родителями 17 февраля 1920 из Новороссийска. В эмиграции в Королевстве сербов, хорватов и словенцев. Окончил гимназию в Крагуеваце (1930), архитектурное отделение технического факультета Белградского университета (1938). С 1938 служил в Музее сербской земли в Белграде. С 1940 учился на отделении биологии философского факультета Белградского университета. В 1947—76 сотрудник Института биологических исследований в Белграде. Гражданин Югославии (1951). Доктор биологических наук (Любляна, 1959). Основатель орнитологии Балканского полуострова. Автор 11 монографий и более двухсот научных статей.

Похоронен на Новом кладбище в Белграде.

Отец: Дмитрий Дмитриевич (р. 1877), инженер, арестован в 1945 органами НКВД в Крагуеваце; вероятно, репрессирован. Мать: Надежда Яковлевна (ур. Родионова, 1888—1955). Жена: Евгения Максимовна (ур. Третьякова). Сыновья: Михаил (р. 1947), Иван (р. 1957).

Библ.: Bibliografija radova Dr S. D. Matvejeva: 1938—2000. Beograd, 2000.

Соч.: Птице Jугославиjу. Београд, 1947 (с В.Э. Мартино); La distribution et la vie des oiseaux en Serbie. Belgrade, 1950; Biogeography of Yugoslavia. Belgrade, 1961; Survey of the Balkan Peninsula Bird Fauna. Beograd, 1976; На перепутьи: Летопись в стихах 1932—1998. Белград, 1999; Моjа биографиjа. Писана у наставцима измеду ратова. Крагуjевац, 2006.

Лит.: Российское научное зарубежье: Материалы для биобиблиографического словаря. Пилотный вып. 6: Естественные науки. XIX — первая половина ХХ в. / Сост. М.Ю. Сорокина. М., 2011; Шергалин Е.Э. Сергей Дмитриевич Матвеев (Matvejev) (1913-2003) – основатель современной орнитологии Югославии и зоогеографии Балканского полуострова // Экология птиц: виды, сообщества, взаимосвязи. Труды научн. конф., посвященной 150-летию со дня рождения Николая Николаевича Сомова (1861-1923). 1-4 дек. 2011 г., г. Харьков, Украина. Кн. 1. Харьков, 2011. С. 80—84.

Некр.: Acrocephalus. 2003. T. 24. С. 5—6.