Родился в Киеве в семье художников. После окончания Республиканской средней художественной школы учился на факультете монументального искусства Киевского государственного художественного института (теперь Киевская Академия изобразительных искусств).
В 1971 году, на первом курсе института, Сергей написал свою первую картину в стиле гиперреализма — «Тара».
После окончания института Сергей Базилев долго преподавал в родном институте, прервавшись на время годичной стажировки Санкт-Петербургской Академии Художеств.
В 1980 году Сергей Базилев стал членом группы «Шесть» (Сергей Базилев, Алексей Тегин, Сергей Шерстюк, Сергей Гета, Игорь Копытянский, Николай Филатов), и участвовал в её проектах вплоть до распада группы в 1987 году.
В 1984 году Сергей Базилев переехал в Москву. Несколько лет он жил и работал в квартире своего близкого друга Сергея Шерстюка, пока не получил жильё и собственную мастерскую.
В середине 80-х в судьбе художника произошло ещё одно важное событие, он познакомился со всемирно известным кинорежиссёром Андреем Тарковским. Андрей Тарковский пригласил молодого художника поучаствовать в своих проектах. Надеждам на сотрудничество, увы, не суждено было сбыться. Помешала смерть Андрея Тарковского. В период общения режиссёра и художника Базилев написал работу, посвящённую своему великому современнику («Портрет Андрея Тарковского»). Картина получила Золотую медаль на Международной выставке «Портрет современника».
В 1985 году американский журнал «Art in America» в своём ноябрьском номере выделил из работ художников-гиперреалистов разных стран картины С. Базилева «Новый год» и «Прощай Киев» (последняя названа лучшей работой).
Сергей Базилев — участник более 50 групповых и более 10 персональных выставок в России и за рубежом.
Персональные выставки
1990 Галерея Alfa Qubic, Токио, Япония
1991 Путевые заметки. Центральный Дом художника, Москва
Кур де Лож, Лион, Франция
1996 Добрые дела. Галерея Манеж, Москва
2008 Освещённые солнцем. Галерея Аллы Булянской, Лондон, Великобритания
Про жизнь и про любовь. Галерея Аллы Булянской, Москва
2012 Розовое Вино. Галерея 11.12, Москва
Аркадия. Художественный музей имени Сорокина, Липецк, Россия
Аркадия. Галерея Хлам, Воронеж, Россия
2014 Сокровенный человек. Галерея Х.Л.А.М., Воронеж, Россия
2015 Моим любезным друзьям. Галерея Х.Л.А.М., Воронеж, Россия
Коллекции
Государственная Третьяковская галерея, Москва
Государственный Русский музей, Санкт-Петербург
Галерея Alpha Cubic, Япония
Музей Людвига, Кёльн, Германия
Музей Нортона Доджа, США
Собрание современного искусства Питера Людвига, Кёльн, Германия
Собрание современного искусства Вальтера Бишоффа, Штутгарде, Германия
Собрание «Фонда помощи детям» ЮНИСЕФ при музее Прадо, Мадрид, Испания
Частные коллекции Японии, США и Европы