Родился под Петербургом, в семье учителей. Много времени проводил в Эрмитаже и Русском музее, мечтая стать художником. Закончил физико-математический факультет Санкт-Петербургского императорского университета.
Фотографией начал заниматься как любитель с 12 лет. В 1911 году впервые участвовал в выставке художественной фотографии в Антверпене и получил почетный диплом. Проявил интерес к новой для того времени цветной фотографии, за свои цветные работы, экспонировавшиеся в 1913 году на «Салоне художественной фотографии» в Нижнем-Новгороде, награждён дипломом. Первая книга с его фотографиями, сделанными по заказу биологов, вышла в Петербурге в 1916 году. Во время Гражданской войны был фотографом Приуральского военного округа Красной Армии. В 1920 году переехал в Москву, где стал членом возобновленного РФО. На выставках фотографии в Советском Союзе, проводившихся до 1937 года, получал награды по художественному отделу. С 1928 по 1937 гг. участвовал в сорока выставках художественной фотографии за рубежом, в том числе в тринадцати пикториальных салонах в США.
Сергей Иванов-Аллилуев – младший среди русских фотографов-пикториалистов. Его фотографии, пронизанные символистскими реминисценциями, начали появляться на выставках в середине 1920-х годов. К 1930-м годам он становится мастером лирического пейзажа, а после перехода в 1946 г. в Фотохронику ТАСС – одним из ведущих портретистов. После Великой отечественной войны Иванов-Аллилуев неоднократно представляет свои произведения на всесоюзных выставках. Практически, из всего поколения пикториалистов только его имя остается на слуху до 1980-х годов. В 1979 г. издательство «Прогресс» начало работу и в 1986 г. выпустило в свет альбом произведений Иванова-Аллилуева, напечатанный фототипическим способом.
Иванов-Аллилуев автор книги «Фотосъёмка пейзажа», выдержавшей два издания.
