Русский исторический и жанровый живописец, портретист, педагог, академик Императорской Академии художеств, член Товарищества передвижных художественных выставок (с 1894).

Писал картины на темы из истории русской православной церкви, раскола, сцены из жизни духовенства, монашества, а также бытовые сюжеты, портреты, пейзажи. Последователь реалистических традиций в русском искусстве второй половины XIX века. Наиболее известные произведения Милорадовича: «Чёрный собор. Восстание Соловецкого монастыря против новопечатных книг в 1666 году» (1885, ГТГ); «Оборона Троице-Сергиевой лавры» (1894, ГРМ); «Путешествие Аввакума по Сибири» (1898, ГМИР);.

Обучался в МУЖВЗ (1874 – 1878) у П. А. Десятова. С 1876 учился у Е. С. Сорокина, В. Г. Перова, И. М. Прянишникова. Участник выставок АХ, ТПХВ (1885 - 1923). Среди значимых выставок - Всероссийская промышленная и сельскохозяйственная выставка в Нижнем Новгороде (1896); II-я Международная выставка искусств в Венеции (1897); Всемирная выставка в Париже (1900), где Милорадович был награждён бронзовой медалью за работу «Выход из церкви».

​Академик РАХ с 1909 года, член Императорского Московского Археологического общества. Член комиссии по ремонту и реставрации Успенского собора Московского Кремля (1914 -1918). С 1914 года преподавал в Московском училище живописи. Член- учредитель Объединения художников-реалистов (1927-1932).

Произведения Сергея Дмитриевича Милорадовича находятся во многих музейных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее, Государственном музее истории религии (Санкт-Петербург), ГМИИ им. А. С. Пушкина, Музее изобразительных искусств республики Карелия и других.