Для дальнейшей судьбы Трубецкого стал знаменательным 1816 год, когда он получил чин штабс-капитана и вступил в масонскую ложу «Трех добродетелей», где вскоре стал наместным мастером. Именно в этот год он стал серьезно обсуждать с Александром и Никитой Муравьевыми-Апостолами возможность создания тайного общества, направленного на изменение системы власти в России. Уже в начале следующего года был создан «Союз спасения», имевший и второе название «Истинные и верные сыны отечества». В этот период Трубецкой тесно сошелся с Павлом Пестелем.
«Союз спасения», вскоре преобразованный в «Союз благоденствия», ставил целью создание конституционной монархии, человечное отношение к крестьянам и существенное смягчение крепостного права. Но затем стал на позицию ликвидации и монархии, и крепостного права, чему должна была предшествовать многолетняя просветительская работа по подготовке общества к революции. Не все эти идеи нашли полное одобрение у Трубецкого, который говорил о Пестеле, бывшем яростным противником монархии, что он «имел все право ужаснуться сего человека».
Трубецкой предложил товарищам свой более умеренный проект устава Союза, но поддержан не был. Позднее этот проект был уничтожен. Но активное участие в Союзе Сергей Петрович продолжал, стремясь вовлекать в него не только боевых офицеров, но и людей творческих, способных содействовать просвещению российского общества. Он даже пытался агитировать за вступление в Союз Жуковского, но поэт отказался, сославшись на то, что «не чувствует в себе достаточной к тому силы».
В начале 20-х годов раздираемый противоречиями «Союз благоденствия» распался. После этого на юге при деятельном участии Пестеля было образовано «Южное общество», а в Петербурге «Северное общество», в котором в конце 1823 года Трубецкой стал одним из трех председателей. Большинство членов «Северного общества» стояло на близкой Трубецкому позиции введения в России ограниченной монархии, считая, что если император не согласится на такие условия, его следует просто отправить за границу. Трубецкому пришлось неоднократно отстаивать свое видение новой системы государственного устройства в спорах со сторонниками Пестеля, который стоял за введение в стране республиканской формы правления. Сергей Петрович искренне считал, что к форме правления, не связанной с монархией, Россия еще долго не будет готова.
После смерти Александра I события стали развиваться стремительно. Проведение присяги Константину Павловичу вызвало в «Северном обществе» серьезные разногласия, приведшие к его практическому роспуску. Но отказ Константина от трона и подготовка к присяге Николаю Павловичу снова сплотили заговорщиков, и они предложили Трубецкому стать на время диктатором (руководителем восстания). Трубецкой к этому времени был гвардейским полковником, старшим адъютантом Главного штаба, но в столице находился в отпуске, так как был прикомандирован к 4-му пехотному корпусу, расквартированному в Киеве.
Заговорщики предполагали осуществить целый спектр кардинальных мер, но главными по их мнению были: приостановление действия самодержавия, назначение временного правительства, создание двухпалатного законодательного органа в Петербурге и провинциальных палат на местах, после чего учреждение конституционной монархии. Для противодействия принятию войсками и чиновниками присяги Николаю планировалось активно использовать полки, в которых служили заговорщики. Распоряжение выводить полки на Сенатскую площадь Трубецкой, как диктатор, дал, но руководить полками было поручено полковнику Булатову.
Радикально настроенные заговорщики на своем последнем собрании вечером 13 декабря предлагали физически устранить Николая. Судя по всему, Трубецкой их не поддержал, но и против не высказывался. Хотя имеется показание Штейнгеля, свидетельствовавшего, что Трубецкой на это согласился и предложил провозгласить императором малолетнего Александра, сына Николая Павловича. Другие же заговорщики на следствии заявляли, что Трубецкой в обсуждении возможного убийства императора не участвовал, так как в это время беседовал с князем Оболенским.
О том, как развивались события 14 декабря, хорошо известно. Но все-то споры историков вызывает поступок Трубецкого, который на Сенатскую площадь не пришел и восстание не возглавил. Известно, что у него заранее не было уверенности в успехе, и он даже порывался уехать в Киев, но от полномочий диктатора не отказался. Наверное, истинные причины его поступка так и останутся невыясненными. Многие сходятся во мнении, что он просто не решился взять на себя ответственность за кровь, которая могла в этот день пролиться, предоставив все воле случая. Бог ему судья.
В ночь на 15 декабря Сергей Трубецкой был арестован и доставлен в Зимний дворец. По свидетельству очевидцев, император был просто потрясен тем, что в заговоре участвовали представители знатнейших российских фамилий, некоторые из которых были древнее, чем род Романовых. Император захотел увидеть Трубецкого, но разговаривать с ним не стал, только заявил: «Что было в этой голове, когда вы, с вашим именем, с вашей фамилией вошли в такое дело? Гвардии полковник! Князь Трубецкой! Как вам не стыдно быть вместе с такою дрянью? Ваша участь будет ужасная».
На следствии Трубецкой вел себя достойно, но, как и большинство декабристов, практически ничего не скрывал, считая, что врать и изворачиваться — ниже дворянской чести. Похоже, что из уважения к древности рода Трубецких император решил сохранить Сергею жизнь. Когда следствие шло к завершению, он даже сказал, чтобы Трубецкой написал жене, что будет жить. Любопытно, что брата Сергея, Петра, который был членом «Союза благоденствия», император распорядился вообще не привлекать к следствию.
Суд приговорил Трубецкого к смертной казни, которая была императором заменена на вечную каторгу. Вскоре срок каторги был сокращен до 20 лет, а в конечном итоге составил 13 лет. Срок каторги исчислялся со времени прибытия к месту отбытия наказания. В 1839 году Трубецкой вышел на поселение в село Оёк Иркутской губернии. Его супруга Екатерина, которая первой из жен декабристов решилась последовать за мужем в Сибирь, первое время жила здесь вместе с ним, а затем ей позволили с детьми (из восьми родившихся в Сибири выжило четверо) жить в Иркутске, где дети смогли получать образование. Трубецкому разрешалось из Оёка изредка на несколько дней приезжать к семье.
Только в 1856 году Сергея Трубецкого по амнистии восстановили в дворянстве, но княжеский титул не вернули, и разрешили вернуться в европейскую часть России. К этому времени супруга его уже умерла и была похоронена в Иркутске. Свободой Сергей Петрович смог воспользоваться всего несколько лет. Он поочередно жил в Москве, Киеве, Одессе и Петербурге у своих детей, но силы старого вольнодумца были уже на исходе. В конце ноября 1860 года Трубецкой скончался в Москве и был похоронен в Новодевичьем монастыре возле Смоленского собора.