Сергей Раутиан окончил физический факультет Московского университета (1952), работал в Физическом институте АН СССР (1953-1965), затем уехал в Сибирь, заведовал лабораторией Института полупроводников Сибирского отделения АН СССР (1965-1969), затем работал в Институте ядерной физики СО АН СССР (1969-1971). С 1965 года он преподавал в Новосибирском университете, заведовал кафедрой квантовой оптики, профессор с 1969 года. В 1971-1977 годах С.Г. Раутиан заведовал сектором Института спектроскопии АН СССР в Троицке. Затем он вернулся в Новосибирск, стал заведующим лабораторией и заместителем директора по научной работе Института автоматики и электрометрии СО АН СССР (1977-1999). Одновременно он преподавал в Новосибирском университете, был даканом физического факультета (1978-1982), до 2002 года заведовал кафедрой квантовой оптики. С 1999 года С.Г. Раутиан был советником РАН, в 2002 году переехал в Москву.
Его научная деятельность посвящена исследованиям в области физической и прикладной оптики, спектроскопии, квантовой электроники, лазерной физики, физической кинетики. Ученый создал сибирскую школу лазерной физики, обосновал квантовые кинетические уравнения (уравнения Раутиана) применяемые в исследованиях кинетических проблем спектроскопии; предсказал и изучил узкие нелинейные резонансы на доплеровски уширенных спектральных линиях, что положило начало спектроскопии сверхвысокого разрешения; разработал метод нелинейной лазерной спектроскопии (метод пробного поля), с помощью которого получена информация о взаимодействии возбужденных атомов и молекул с мощным излучением и о физике столкновений в газе и плазме.
С.Г. Раутиан внес вклад в разработку разделов спектроскопии: поляризационной нелинейной спектроскопии неравномерно движущихся частиц, пространственно неоднородных долгоживущих систем, спектроскопии при взаимодействии атомов с нестационарным и поляризованным «термостатом», многофотонных кооперативных процессов; ввел представление о нелинейном интерференционном эффекте как об одном из трех фундаментальных эффектов спектроскопии насыщения; указал фундаментальную роль микронеоднородностей активной среды, индуцированных полем из-за нелинейных эффектов, построил теорию гистерезисных явлений в лазере с поглощающей ячейкой. Им открыт светоиндуцированный дрейф атомов и молекул — новый класс явлений переноса в газе, на основе которого возникла светоиндуцированная газовая кинетика. Ученым изучены адресованная лазерная фотомодификация биомолекул (ДНК, РНК); нелинейно-оптические свойства металлических фрактальных кластеров и их фотомодификация, развита нелинейная спектроскопия низкотемпературной плазмы, предсказан фундаментальный радиационный эффект — спонтанный и индуцированный перенос оптической поляризации, и установлены обусловленные им интерференционные спектроскопические явления.