Il commence à suivre des cours de dessin à Moscou. Il passe ses vacances à Naltchik, chez son beau-frère Serge Kissilev, qui avait eu pour précepteur un frère cadet de Tchékhov. La famille Kissilev aurait d'ailleurs servi de modèle à Tchékhov pour La Cerisaie. C'est à Naltchik que Serge Poliakoff, adolescent, a peint ses premiers paysages sur les lieux mêmes où travaillait Lévitan, chef de file des paysagistes russes. Ainsi son enfance se trouve partagée entre sa vie familiale à Moscou, où sa mère, très religieuse, l'emmène souvent à l'église, où il découvre les icônes, puis la vie culturelle chez sa soeur Véra, qui avait un salon littéraire, la vie de l'aristocratie russe, chez les Galitzine à Saint-Pétersbourg, et ses vacances au bord de la Mer Noire. Il voyage dans le sud de la Russie jusqu'au Caucase. Peu intéressé par les études systématiques du lycée, il aime lire, et la très riche bibliothèque de son frère Anatoly, son « guide spirituel », lui fournit l'occasion de connaître de très bonne heure, non seulement la littérature russe, mais aussi tous les classiques occidentaux. Son frère Anatoly, qui étudie le chant, lui donne aussi le goût de l'Opéra, et celui de la musique. Dès l'âge de douze ans, il sait déjà jouer de la guitare. Par ailleurs, il se passionne pour les mathématiques et l'algèbre. 

Début de l'exode à travers la Russie et le Caucase. 

Dimitri, Serge, Nastia Poliakoff et le cousin Galitzine à Tiflis dans le Caucase en 1919 

Il se fixe à Paris. 

Expose pour la première fois, en groupe, à la Galerie Drouant. Il consacre chaque jour plusieurs heures de travail à la peinture. Des oeuvres de cette époque, il ne reste presque rien, soit qu'il ait repeint les toiles, soit qu'elles aient été dispersées. Quelques reproductions dans les journaux russes de l'émigration, édités à Paris, ainsi que la reproduction publiée dans le catalogue chez Drouant, Paris, montrent, à travers des Nus et un Portrait d'homme, un apprentissage académique de la peinture. 

Quitte Paris pour Londres où il suit, pendant deux ans, les cours à la Slade School of Art. Il se marie avec Marcelle Perreur-Lloyd, française de mère irlandaise, vivant depuis plusieurs années à Londres. Il prend part, comme guitariste, à quelques films. Les visites fréquentes dans les musées londoniens, pendant cette période, « l'aident à se trouver », selon sa propre expression. Ses préférences vont déjà aux Primitifs italiens, Cimabue, Giotto, Simone Martini. L'école Flamande et l'Impressionnisme l'intéressent. 

Vélasquez et Cézanne, Gauguin et Seurat retiennent son attention. Parmi les modernes, il aime Klee, pour son sens de la composition, et Juan Gris. « Au contraire de Picasso et de Braque, confiera-t-il plus tard, la nature de Juan Gris était déjà abstraite. » Mais le grand choc, durant ce séjour londonien, sera les sarcophages égyptiens qu'il découvre au British Museum. Les proportions de la peinture des sarcophages le font réfléchir, la couleur et la matière l'intriguent au point qu'un jour, profitant de l'absence momentanée du gardien, il gratte un coin pour voir exactement la couleur des différentes couches superposées. 

Expose au Salon des Indépendants; jusqu'en 1945, il y sera présent. Il fait la connaissance de Sonia et Robert Delaunay. Devenu un habitué de leur maison, il se rend chez eux, à jour fixe, une fois par semaine. Durant ces réunions, véritables cours du soir, Delaunay expose ses théories du contraste simultané à ses amis peintres. 

Sans influencer directement sa peinture, les propos de Delaunay sur l'art abstrait l'aident beaucoup à évoluer. Il expose sa première toile abstraite à la Galerie "Le Niveau à Paris". Kandinsky, le premier, reconnaît les qualités du jeune peintre abstrait. « Pour l'avenir je mise sur Poliakoff », déclare-t-il. La même année, Poliakoff rencontre également Otto Freundlich : l'homme, la gravité abstraite de sa peinture, l'impressionnent très profondément. 

Sa première exposition de tableaux abstraits (oeuvres de 1942 à 1945) a lieu à la Galerie de l'Esquisse. Le critique Frédéric Noël, dans sa rubrique sur les expositions, note l'apparition du nouveau peintre abstrait. De même, l'envoi de Poliakoff au Salon des Réalités Nouvelles est remarqué par le critique Guy Domand. 

Reçoit le Prix Kandinsky, créé par Nina Kandinsky, et destiné à encourager un jeune peintre abstrait. 

Expose ses peintures à la Galerie Denise René et ses gouaches à la Galerie de Beaune. Participe au Salon de Mai. La critique parisienne suit et note son évolution. Frank Elgar souligne dans Carrefour sa « prédilection » pour la toile de Poliakoff exposée au Salon de Mai. 

Ses expositions se multiplient. Son oeuvre a déjà ses fidèles collectionneurs. Il cesse d'exercer son métier de musicien, et il se consacre désormais entièrement à la peinture grâce à un contrat avec la Galerie Bing. Cette année-là, à l'exposition "L'Art du XXe Siècle", organisée au Musée d'Art Moderne de Paris, il a l'occasion de voir les deux tableaux de Malévitch que possède le Museum of Modem Art de New York, dont le Carré blanc sur fond blanc. C'est un véritable choc et une confirmation « il m'a démontré une fois de plus le rôle capital de la vibration de la matière. Même s'il n'y a pas de couleur, un tableau où la matière vibre reste vivant". Serge Poliakoff passe l'été à Gordes, dans le Vaucluse, où il exécute une fresque dans la maison du critique d'art Charles Estienne. 

Ses expositions particulières se multiplient, de même que sa participation à des expositions d'ensemble en France et à l'étranger. 

Reçoit le Prix Lissone.

A l'occasion de voir pour la première fois l'oeuvre de Malévitch, dans la plus grand ampleur possible, lors de l'exposition organisée à la Kunsthalle de Berne par Fran Meyer. Il en est profondément impressionné. Deux de ses toiles en projection servent de décor au spectacle Jean Tardieu-Jacque Poliéri au Théâtre de l'Alliance française à Paris. 

Prix international de la Biennale de Tokyo.

Rétrospective à la Maison de la Culture de Caen.