У лавах Червоної армії з 1919 року. Член ВКП(б) з 1921 року. У 1924 році закінчив командні піхотні курси. Протягом 1924—1931 років обіймав посади командиравзводу, роти, начальника полкової школи.
З січня 1942 року — заступник командувача 25-ї армії Далекосхідного фронту, з серпня — командир 39-го стрілецького корпусу, а з жовтня того ж року — командувач 15-ї армії на Далекому Сході. 13 вересня 1944 року присвоєно військове звання генерал-лейтенант.
Учасник радянсько-японської війни 1945 року. Брав участь у розгромі японської Квантунської армії на сунгарійському напрямку. Під його командуванням війська 15-ї армії в умовах бездоріжжя і розлиття річок успішно форсували річку Амур, оволоділи двома укріпленими районами і розгромили війська супротивника в районі Тунцзян — Цзямуси.
У грудні 1960 року генерал-лейтенант С. К. Мамонов вийшов у запас. Мешкав у Воронежі, де й помер 25 квітня1974 року. Похований на Комінтернівському кладовищі.