В РККА вступил добровольно 15 сентября 1922 года. В 1923 году окончил 48-е пехотно-пулемётные курсы 10-х Владикавказских курсов, в 1926 году — Объединённую Кремлёвскую школу имени ВЦИК (кроме того, в 1929 году окончил 2 курса Вечернего рабочего университета). Затем — командир взвода полковой школы 65-го стрелкового полка (сентябрь 1926 — декабрь 1929 года), командир роты 36-го авиапарка в Северо-Кавказском военном округе (по июнь 1930 года), с февраля 1931 — командир роты 3-го стрелкового полка Московской Пролетарской дивизии, начальник штаба учебного батальона (по апрель 1932 года), командир батальона в той же дивизии (по июнь 1934 года, когда направлен учиться в академию).
С августа 1939 года комбриг Бирюзов — командир 132-й стрелковой дивизии в Харьковском военном округе, которую вывел в лучшие в округе по боевой подготовке[5].
Великая Отечественная война
До начала и в первые месяцы Великой Отечественной войны — командир 132-й стрелковой дивизии (с августа 1939 по апрель 1942 года) в составе 13-й армии на Западном фронте. Участник Смоленского оборонительного сражения и битвы за Москву. В октябре 1941 года был ранен и несколько месяцев находился в госпитале, только числясь командиром дивизии. За мужество и героизм был награждён орденом Ленина[6].
Начальник штаба 48-й армии на Брянском фронте (с апреля по ноябрь 1942 года). В течение первого года войны получил 5 ранений, в том числе два тяжёлых.
С мая 1944 года—начальник штаба 3-го Украинского фронта, которым командовал Ф. И. Толбухин (с 15 мая 1944 года). На этой должности Бирюзов принимал участие в разработке и проведении Ясско-Кишинёвской и Белградской наступательных операций.
С мая 1946 года генерал-полковник Бирюзов занимал следующие посты: заместитель Главнокомандующего Сухопутными войсками по боевой подготовке (кратковременно), с июня 1946 года — заместитель Главнокомандующего Южной группой войск, с июня 1947 года — командующий войсками Приморского военного округа, с апреля 1953 года — первый заместитель командующего войсками Дальневосточного военного округа.
Главнокомандующий войсками ПВО страны — заместитель министра обороны СССР (март 1955—1962). 1 февраля 1958 года присвоено звание Герой Советского Союза, с 1956 года кандидат, а с 1961 года член ЦК КПСС.
Маршал Пётр Кошевой писал, что Бирюзов — «очень требовательный начальник, но требовательность его всегда была в рамках устава и, если так можно сказать, человеческой справедливости. Многие считали его суровым и замкнутым. [Кошевой] этого не замечал. Его [Бирюзова] глубокий ум, стремление и умение смотреть в будущее отчётливо проявлялись в практической работе»[8].
Дочери Валентина Разумова-Бирюзова (род. 1931, историк), Ольга Зотова (род. 1935, филолог, преподаватель Военной академии имени М. В. Фрунзе). Сын Сергей Бирюзов (род. 1946).
В 1965 году в ознаменование 20-летия победы советского народа над фашистской Германией 6-я улица Октябрьского Поля Москвы переименована в улицу Маршала Бирюзова.
На улице, носящей имя С. С. Бирюзова в Москве, установлен обелиск.
19 октября 2019 года в Донецке на ул. Бирюзова установили бюст маршалу.
Бирюзов С. С. Некоторые вопросы противовоздушной обороны во Второй мировой войне // Военно-исторический журнал. — 1961. — № 10. — С. 12—27.
Бирюзов С. С. Военно-теоретическое наследство М. Н. Тухачевского // Военно-исторический журнал. — 1964. — № 2. — С. 37—49.
Бирюзов С. С. Выдающаяся победа Советских вооружённых сил (К 20-летию Ясско-Кишиневской операции) // Военно-исторический журнал. — 1964. — № 8. — С. 3—14.
↑Военная энциклопедия: в 8 томах. — Т. 1: «А» — Бюлов / Гл. ред. комиссии И. Н. Родионов. — М.: Воениздат, 1997. — 639 с. — ISBN 5-203-01655-0. — С. 468.
Великая Отечественная. Комдивы : военный биографический словарь / [Д. А. Цапаев и др. ; под общ. ред. В. П. Горемыкина] ; М-во обороны Российской Федерации, Гл. упр. кадров, Гл. упр. по работе с личным составом, Ин-т военной истории Военной акад. Генерального штаба, Центральный архив. — М. : Кучково поле, 2014. — Т. III. Командиры стрелковых, горнострелковых дивизий, крымских, полярных, петрозаводских дивизий, дивизий ребольского направления, истребительных дивизий (Абакумов — Зюванов). — С. 268—270. — 1102 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-9950-0382-3.
Соловьёв Д. Ю. Все генералы Сталина. — Т. 2. — М., 2019. — ISBN 9785532106444. — С. 51—53.