У 1936 р. Кваліфікаційна комісія ВАСГНІЛ присвоїла С. Лебедєву ступінь кандидата сільськогосподарських наук.
У 1937 р. почалася педагогічна діяльність вченого в Глухівському сільськогосподарському інституті, де він працював доцентом (з 1938 р.), а згодом — завідувачем кафедри ботаніки, фізіології рослин і мікробіології.
З 1944 року по 1949-й наукова діяльність Лебедєва пов'язана з Центральним республіканським ботанічним садом АН України, де він працював на посаді заступника директора з наукової роботи та завідував лабораторією фізіології рослин. З 1949 року по 1953-й Сергій Іванович очолює відділ фізіології рослин в Інституті ботаніки АН УРСР і захищає в його стінах докторську дисертацію на тему «Фізіологічна роль каротину в рослині».
У 1953–1959 рр. — ректор Одеського державного університету імені І. Мечникова та завідувач кафедри фізіології рослин біологічного факультету. У цей період було продовжено будівництво нового університетського містечка на Пролетарському (нині — Французькому) бульварі, відкрив свої двері новий корпус біологічного факультету. Значно виріс контингент студентів за рахунок переведення до університету окремих факультетів з педагогічних інститутів (Одеського — географічний та історичний, Ізмаїльського — філологічний, Кіровоградського і Вінницького — історичний, Бердичівського — біологічний). Було проведено реорганізацію ряду кафедр — ліквідовано кафедру загальної хімії, об'єднані кафедри генетики і дарвінізму, астрономії і теоретичної механіки. Кількісно і якісно змінювалася матеріальна база науково-дослідних лабораторій. З ініціативи С. І. Лебедєва при кафедрі фізіології рослин була створена наукова ізотопна лабораторія. В ОДУ стала працювати комісія з захисту кандидатських дисертацій, а на біологічному, хімічному та фізико-математичному факультетах — докторських.
У 1958 р. у складі першої делегації ректорів СРСР відвідав США, внаслідок чого було налагоджено закордонні стажування студентів і аспірантів ОДУ.
У 1956 р. його обирають дійсним членом Української академії сільськогосподарських наук (УСГА), а в грудні 1959 року — її віцепрезидентом. Його переводять до Києва на посаду ректора Української сільськогосподарської академії (1959–1962). Протягом 20 років Лебедєв очолював кафедру фізіології і біохімії рослин в стінах цього провідного українського сільськогосподарського навчального закладу.
У 1973 році професору Лебедєву присвоюють почесне звання «Заслужений діяч науки Української РСР».
У 1928 р. у «Трудах Полтавської дослідної станції» з'являється його перша наукова стаття «Результаты сортоиспытания картофеля, ярової пшеницы, ячменя и овса».
Всі післявоєнні роки в своїй дослідницькій роботі вчений багато уваги приділяв вивченню ролі каротиноїдів в житті рослин (в процесах росту, запліднення та інших фізіолого-біохімічних процесах). На основі результатів проведених експериментів була написана фундаментальна монографія «Фізіологічна роль каротину в рослині» і захищена докторська дисертація (1951 р.), яка стала на той час не тільки узагальненням досягнутого у науці, але й дала імпульс подальшим дослідникам.
Працюючи в ОДУ він, як дослідник, приділяв увагу вивченню фізіології та біохімії промислових водоростей, зокрема їх пігментної системи.
З ім'ям С. І. Лебедєва пов'язані дослідження і узагальнення по підвищенню врожайності і продуктивності сільськогосподарських рослин. Під його керівництвом вперше в Україні були проведені електронно-мікроскопічні дослідження хлоропластів важливих сільськогосподарських культур, їхніх структурно-функціональних особливостей в залежності від умов мінерального живлення та водного режиму. Він нагороджений сьома державними нагородами, зокрема орденом Леніна та медаллю «За доблесну працю у Великій Вітчизняній війні 1941—1945 рр.».
Педагогічний досвід дозволив С. І. Лебедэву створити навчальні посібники та підручники з фізіології рослин спочатку для університетів, а потім для сільськогосподарських вишів. У 1960 р. вийшов його перший навчальний посібник «Фізіологія рослин» для університетів, а в 1967 р. — для сільськогосподарських вишів. У 1972 р. було видано новий підручник «Фізіологія рослин». Підручник «Фізіологія рослин» російською мовою (на факультеті агрохімії і ґрунтознавства в УСГА стали вчитися студенти-іноземці) перевидавався тричі: в 1978, 1982 і 1988 рр. У кожному виданні професором вводилися нові, але вже усталені уявлення в області цієї науки. Останнє видання підручника вийшло у світ за кілька місяців до смерті С. Лебедєва. За написання підручника С. І. Лебедєва у 1979 р. було нагороджено Почесним дипломом ВДНГ СРСР. Всього професором надруковано більше 200 наукових праць. С. І. Лебедєв мав авторські свідоцтва СРСР.
Понад 20 років він був активним членом ботанічного товариства, почесним членом фізіологів рослин. На Всесоюзному конкурсі у 1986 р. його брошура «Унікальний процес на Землі» отримала диплом першого ступеня та першу премію за найкращий твір науково-популярної літератури.
Ним підготовлено більше ніж 65 кандидатів наук, деякі з них пізніше стали докторами наук, а К. М. Ситник — академіком.
Наукові праці
Агротехнические правила по культуре конопли / С. И. Лебедев. — М. : Госиздат колхоз. и совхоз. лит., 1931. — 90 с.
О стадийном развитии конопли / С. И. Лебедев // Генетика и селекция конопли: сборник. — М., 1937. — С. 26–44.
Яровизация конопли / С. И. Лебедев // Конопля: сборник. — М., 1938. — С. 304—313.
Про роль каротину в ростових процессах у рослин / С. І. Лебедєв // Доп. Акад. наук УРСР. — 1948. — № 2. — С. 71–77.
Про вуглеводно-білковий обмін у яблуні / С. І. Лебедєв // Ботан. журн. Акад. наук УРСР. — 1952. — Т. 9, № 3. — С. 17–36.
Физиологическая роль каротина в растениях / С. И. Лебедев. — Киев: Изд-во АН УССР, 1953. — 160 с.
О биологических особенностях красной водоросли филлоры / С. И. Лебедев // Природа. — 1956. — № 4. — С. 96–98.
Дослідження пігментів філофори / С. І. Лебедєв // Праці ОДУ. Серія біол. наук. — 1957. — Вип. 8. — С. 5–9.
Биологические исследования филлофлоры / С. И. Лебедев // Вопр. ботаники. — 1960. — Вып. 3. — С. 43–44.
Фотосинтез: (современные представления) / С. И. Лебедев. — Киев: Изд-во Укр. акад. с.-х. наук, 1961. — 159 с.
Фізіологія рослин : [підр. для аграр. спец. с.-г. вузі] / С. І. Лебедєв. – 2-е вид., перероб. і доп. – Київ : Вища шк., 1972. – 415 с.
Физиология растений : [учеб. для аграр. спец. с.-х. вузов] / С. И. Лебедев. – М. : Вища шк., 1978. – 440 с. ; 2-е вид. – М. : Колос, 1982. – 463 с. ; 3-е изд., перераб. и доп. – М. : Агропромиздат, 1988. – 543 с.
Литвиненко Л. Волшебник изумрудной страны / Л. Литвиненко // Зеркало недели. Украина. — 2002. — 22 марта (№ 11).
Вчені вузів Одеси: біобібліогр. довід. Вип. 2 : Природничі науки, 1946—1997 рр., ч. 5 : Біологи. — Одеса, 1999. — С. 74–77.
Литвиненко Л. Г. С. И. Лебедев и развитие физиологии растений на Украине / Л. Г. Литвиненко // Физиология и биохимия культ. растений. — 1993. — Т. 25, № 2. — С. 205—207.
Видные учёные Одессы: по воспоминаниям учеников и сотрудников. — Одесса, 1992. — Вып. 2. — С. 77–82.
Український радянський енциклопедичний словник: в 3 т. — К., 1987. — Т. 2. — С. 246.
Українська радянська енциклопедія: в 12 т. — 2-е вид. — Київ, 1985. — Т. 6. — С. 84.
Ситник К. М. Сергій Іванович Лебедєв: (до 80-річчя з дня народження) / К. М. Ситник, О. Г. Судьина, Л. Г. Литвиненко // Укр. ботан. журн. — 1982. — Т. 39, № 4. — С. 105.
Історія Одеського університету за 100 років / ОДУ ім. І. І. Мечникова ; відп. ред.: О. І. Юрженко . — Київ: Вид-во Київ. ун-ту, 1968 . — 423 с. — Про С. І. Лебедєва. С. 171.
Лебедєв Сергій Іванович // Учені вузів Укр. РСР: довідник. — К., 1968. — С. 252.
