Уже во время учебы в институте С.Кузнецов основал свое первое бюро – с 2000 года он являлся одним из партнеров и генеральным директором архитектурной мастерской «СЛК-Проект». С 2003 года – партнер и генеральный директор данной мастерской. В 2006 году мастерская вошла в объединение «SPEECH Чобан & Кузнецов», руководящим партнером которого Сергей Кузнецов являлся до 2012 года.
По проектам бюро был реализован ряд знаковых проектов: Дворец водных видов спорта в Казани, Музей архитектурного рисунка в Берлине. Офисное здание на Ленинском проспекте в Москве получило статус «5 звезд» в номинации «Лучшее офисное здание». Жилой комплекс «Гранатный, 6» получил статус «Highly Commended» в номинации «Многоквартирные дома».
В 2010 г. С.Кузнецов стал соавтором проекта и дизайна экспозиции «Фабрика Россия» Российского павильона на XII Архитектурной Биеннале в Венеции. В 2012 году на XII Архитектурной Биеннале в Венеции он стал со-куратором и со-автором дизайна экспозиции «i-city/i-land» Российского павильона, получившей приз «special mention» жюри Биеннале.
Распоряжением Мэра города Москвы № 681-РМ от 20 августа 2012 года С.О. Кузнецов назначен главным архитектором города Москвы, первым заместителем председателя Москомархитектуры.
С 29 апреля 2014 года - почётный профессор Московского Архитектурного института (МАРХИ)