Родился 2 сентября 1910 г. в Ташкенте.

Доктор физико-математических наук (1943), профессор (1944), действительный член АН СССР (1966), иностранный член Польской академии наук (1977), член-корреспондент Германской академии наук (1977), Американского физического общества.

Окончил физический факультет Ленинградского государственного университета (1932).

С 1932 по 1998 г. работал в Институте физики металлов (Свердловск-Екатеринбург). В 1950–1953 гг., 1958–1993 гг. – заместитель директора по научной работе этого института. Председатель Президиума УНЦ АН СССР (1971–1986), затем почетный председатель Президиума УрО РАН. Председатель Комиссии АН СССР по магнетизму (1974–1998). Был главным редактором журнала «Физика металлов и металловедение», членом Международной комиссии по магнетизму при Организации чистой и прикладной физики ЮНЕСКО.

В 1943–1960 гг. – заведующий кафедрой теоретической физики физико-математического факультета Уральского университета. Президент Уральского гуманитарного университета (1990–1998).

Основатель уральской научной школы по теории твердого тела и физике магнитных явлений. Работы С. В. Вонсовского посвящены квантовой теории твердого тела, многоэлектронной теории металлов и полупроводников, теории ферро- и антиферромагнетизма, сверхпроводимости. В 1934–1936 гг. совместно с С. П. Шубиным построил полярную и s-d-обменную модели кристаллических твердых тел. Создал теорию переходных металлов, сплавов и редкоземельных соединений, учитывающую взаимосвязь магнитных и электрических свойств этой группы веществ. Заложил основы теории ферромагнетизма сплавов, развил теорию явлений магнитной анизотропии и магнитострикции. Значительный цикл работ С. В. Вонсовского относится к теории сверхпроводимости в переходных металлах и сплавах, проблеме одновременного существования в них ферромагнетизма и сверхпроводимости.

Исследования С. В. Вонсовского обобщены в восьми монографиях, широко известных в стране и за рубежом.

С начала 1930-х гг. читал лекции в политехническом и педагогическом институтах Свердловска. На физическом факультете Уральского университета с 1940 по 1998 г. читал лекции по квантовой механике, квантовой теории твердого тела, теории магнитных явлений. Среди его учеников члены РАН, около 20 докторов и 40 кандидатов наук.

В 1955–1959 гг. С. В. Вонсовского избирали членом Свердловского городского Совета депутатов трудящихся, а в 1963–1990 гг. – членом Верховного Совета РСФСР.

Удостоен звания Героя Социалистического Труда (1969). Лауреат Государственных премий СССР (1975, 1982), Демидовской премии (1993). Награжден золотой медалью им. С. И. Вавилова (1982), тремя орденами Ленина, двумя орденами Трудового Красного Знамени, орденом Красной Звезды.

Почетный гражданин г. Екатеринбурга (1975).