Родился 24 июля (10 августа) 1914 г. в д. Кореево-Брыково Пронского у. Рязанской губ. (ныне д. Кареево Старожиловского р-на) в многодетной крестьянской семье. Мать, Арина Гавриловна, и отец, Евдоким Степанович, воспитывали 8 детей. Окончил 7 классов местной школы и поступил на работу на 101-й конный завод в д. Соха, вступил в ряды ВЛКСМ. В 1933 г. был принят на службу в Старожиловское районное управление милиции мл. милиционером. После окончания курсов офицерского состава (курсов подготовки лиц среднего начсостава Рабоче-Крестьянской милиции) работал в должности участкового инспектора уголовного розыска.

Весной 1936 г. призван в ряды Красной Армии, прослужил до конца 1938 г. После службы Денисов возвратился в родную деревню и вновь поступил работать на конный завод. В трудовой книжке 17 января 1939 г. записано: "Принят на должность инструктора пожарной охраны". При необходимости, в связи с недостатком кадров, работал конюхом. Был секретарем комсомольской организации. Оказывал большую помощь военному комиссариату в учебе местной молодежи по линии гражданской обороны.

10 июля 1941 г. Денисов был призван в ряды Красной Армии Старожиловским РВК и направлен на учебу в Горьковское военно-политическое училище, которое окончил в звании лейтенанта в 1942 г. С того же времени – на фронте. Служил заместителем командира батальона по политической части 768-го полка (138-я Краснознаменная стр. дивизия, 62-я армия). С августа 1942 г. на Сталинградском фронте. Полк, в составе которого воевал Денисов, находился у развалин завода "Баррикады" на правом берегу р. Волги; впоследствии эта территория была названа "Огненный остров Людникова" по фамилии командира дивизии полковника И.И. Людникова. В сентябре Денисов был тяжело ранен. За мужество и доблесть, проявленную в боях по защите г. Сталинграда, он был награжден орденом Красной Звезды и медалью "За оборону Сталинграда". Член ВКП(б) с 1942 г.

Командир арт. батареи 207-го гв. стр. полка (70-я гв. Глуховская Краснознаменная стр. дивизия, 13-я армия, Центральный фронт) гв. ст. лейтенант Денисов отличился в боях под г. Курском. Его батарея занимала позиции в лощине Березовый Лог у с. Ольховатка.

Из наградного листа: "...В бою 6 июля [1943 г.] немцы пустили в контратаку на наши боевые порядки 150 танков и до 2 полков пехоты. Батарея тов. Денисова прямой наводкой расстреливала танки врага. Противник пытался подавить ее, бросив на батарею до 60 самолетов и ведя ожесточенный огонь. Но батарея не прекращала сопротивления. Когда выбыли из строя номера расчетов, тов. Денисов встал к орудию, и бойцы, воодушевленные отвагой своего командира, продолжали бить вражеские танки. В этом бою было уничтожено 12 немецких танков, из которых один - тяжелый.

В бою 10 июля на батарею, состоявшую из 2 пушек, шло 46 немецких танков. Тов. Денисов умело руководил огнем и одновременно сам бил из орудия по танкам. Будучи ранен и контужен в этом бою, он продолжал сражаться... Когда орудия были подбиты, тов. Денисов с группой бойцов пополз навстречу танкам и гранатами подбил еще 1 танк. Атака была отражена. Враг потерял 15 танков, из которых 2 - Т6 и ни на шаг не прошел там, где стояла батарея тов. Денисова.

Всего на счету батареи 27 немецких танков, 2 минометные батареи врага, 5 наблюдательных пунктов и до 300 солдат и офицеров противника. Наотрез отказавшись отправиться в госпиталь и самостоятельно отремонтировав пушки, тов. Денисов продолжал героически бить врага".

Звание Героя Советского Союза присвоено 7 августа 1943 г.

Командование полка предоставило Денисову отпуск для поездки домой. В Старожилове провели митинг с его участием. В Рязанском пехотном училище состоялось чествование Героя.

В мае 1944 г. Денисов был назаначен командиром 2-й батареи 39-й тяжелой гаубичной арт. бригады 1247-го Винницкого Краснознаменного пушечно-арт. полка. Участвовал в освобождении Украины, Прибалтики, Польши, Чехословакии, дошел до Германии.

Из книги учета безвозвратных потерь личного состава 1247-го ПАП: "Денисов С.Е., 1247 ПАП, 1 дивизион, Герой Советского Союза, гв. ст. лейтенант, ком. батареи, чл. ВКП(б). Рязанская обл. Старожиловский р-н, с. Кареево, Старожиловский РВК, Рязанской обл. Тело увезено на родину.

19 марта 1945 г. убит в бою у с. Ольсбердорф, район г. Обер-Глогау (Германия, провинция Верхняя Силезия) [ныне г. Глогувек, Польша]".

Награжден орденами Ленина, Отечественной войны 2-й степ., Красной Звезды, медалью «За оборону Сталинграда».

В парке р.п. Старожилово, где покоится урна с прахом Героя, в ноябре 2000 г. состоялось открытие памятника. В канун 30-летия Великой Победы по инициативе УВД Рязанского облисполкома одна из улиц р.п. Старожилово названа его именем. Его фамилия - на Доске почета УВД Рязанской обл. По инициативе УВД проводятся спортивные кроссы от Рязани до памятника Денисову в Старожилово. В Старожиловском районе проводятся районные Спартакиады допризывной и призывной молодежи по полиатлону памяти Героя Советского Союза С. Е. Денисова. Ежегодно УВД Рязанской области проводит профессиональный конкурс «Лучший участковый уполномоченный», посвященный памяти С. Е. Денисова. Денисову посвящен отдельный стенд в Музее рязанской милиции. В ноябре 2009 г. в канун Дня милиции состоялось открытие нового памятника на месте захоронения Героя. 27 февраля 2010 г. на здании Сохинской основной общеобразовательной школы открыта мемориальная доска с надисью «В нашем районе проживал с 1914 по 1941 год Герой Советского Союза Денисов Сергей Евдокимович».

Сын Героя, А. С. Денисов, окончил Суворовское училище, ныне генерал-майор в отставке.