Родился 4 октября 1925 года в селе Чигарева Аромашевского района ныне Тюменской области в крестьянской семье. Русский. Окончил 7 классов, работал в колхозе. Призван в армию 18 сентября 1943 года Аромашевским райвоенкоматом.

Во время Великой Отечественной войны в действующей армии с декабря 1943 года. Сражался на Белорусском (с 24 февраля 1944 года – 1-м Белорусском) фронте.

Особо отличился при освобождении Белоруссии в ходе Белорусской стратегической наступательной операции «Багратион».

30 июня 1944 года во время отражения дивизией атак крупной группировки вражеских войск, пытавшихся прорваться из окружения к переправе на реке Березина у населенного пункта Октябрь (ныне поселок Елизово, Осиповичский район Могилёвской области), вступил в бой с боль¬шой группой солдат противника, уничтожил 22 из них. Израсходовав боеприпасы, взорвал последней гранатой себя вместе с окружившими его гитлеровцами.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 24 марта 1945 года за образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство Петялину Сергею Васильевичу присвоено звание Героя Советского Союза (посмертно). 

Похоронен в поселке Елизово, где установлен памятник Герою. На родине — в селе Чигарева именем С.В.Петялина названа улица. На доме, где он родился и вырос, установлена мемориальная доска.

Награжден орденами Ленина (24.03.1945), Славы 3-й степени (3.02.1944), медалью «За боевые заслуги» (25.06.1944).

На Белорусском фронте в составе 19-го стрелкового корпуса 65-й армии участвовал в Калинковичско-Мозырской наступательной операции на территории Белоруссии (8 – 30 января 1944 года).

14 января 1944 года дивизия вошла в подчинение 19-го стрелкового корпуса 65-й армии и получила боевую задачу форсировать реки Ипа и Виша, выбить противника и овладеть населенными пунктами Калинковичского района Крюковичи, Новоселки и наступать в направлении Озаричи, Савичи.

Дивизия в ночь на 15 января силами форсировала реку Ипа, сбила противника с занимаемых позиций и начала его преследование по территории Калинковичского района Гомельской области. После упорных боев ею было освобождено село Новоселки; 17 января дивизия вышла к реке Виша и передовыми подразделениями с ходу переправилась на ее западный берег, создав плацдарм для дальнейшего наступления.

При наступлении по заболоченной местности, через многочисленные реки и речушки части дивизии преодолевали значительные трудности. Чтобы подтянуть отставшие артиллерийские подразделения и подвезти боеприпасы, приходилось строить через заболоченные места гати большой протяженности, заготовлять переправочные средства своими силами. В течение 18—19 января усилиями отдельного саперного батальона и стрелковых полков, работавших под беспрерывным артиллерийским огнем противника, сооружение гатей через заболоченные места было закончено. Подтянув артиллерию к боевым порядкам пехоты и обеспечив ее боеприпасами, дивизия 20 января возобновила наступление. 210-й и 250-й стрелковые полки овладели деревней Виша и вышли на дорогу, ведущую в поселок Озаричи. Здесь немцы закрепились на заранее подготовленном рубеже, представлявшем собой ряд господствующих высот. Подтянув артиллерию и минометы, они встретили части дивизии мощным огнем.

Дивизия была усилена 193-м танковым полком и дивизионом «катюш». 26 января части дивизии совместно с танкистами решительно атаковали неприятеля. Танки с десантом 210-го стрелкового полка быстро просочились в его оборону и дезорганизовали управление вражеского командования своими частями. Гитлеровцы в панике бежали в северо-западном направлении, бросая оружие и имущество. На небольшом участке бойцы подобрали 12 исправных орудий разных калибров, 14 минометов, 11 станковых и 9 ручных пулеметов, 18 автоматов, 147 винтовок, один вездеход, две легковые автомашины и другое имущество. Около 50 солдат и офицеров сдались в плен.

На участок прорыва противник подбросил резервы — до полка пехоты с танками. На рубеже хутор Чистая Лужа, высота 139,5 свежие подразделения оказали наступающим упорное сопротивление. Завязались ожесточенные бои. 29 января части дивизии продвинулись вперед на несколько километров. В районе населенного пункта Савин Рог они вновь наткнулись на сильную укрепленную оборону. Здесь противник имел хорошо развитую систему огня, дзоты, противотанковые и противопехотные препятствия.

Упорные бои за Савин Рог успеха не имели, и дивизия по приказу командира корпуса перешла к временной обороне. Около двух недель здесь шла позиционная борьба за укрепление и удержание занятых рубежей.

За отличие в этой операции С.В.Петялин получил свою первую боевую награду.

Рядовой взвода пешей разведки С.В.Петялин в боях за деревню Чистая Лужа, наступая вместе с пехотой, заметил, что из блиндажа по одному выбегают немцы. Он бросился туда и предложил немцам сдаться. В ответ дали автоматную очередь. Бросив гранату, Петялин ворвался в блиндаж. Обезоружив, взял в плен немецкого офицера – капитана, командира роты. Гранатой убил 2 вражеских автоматчиков. Офицера вместе с документами доставил в штаб полка.

Награжден орденом Славы 3-й степени.

До 16 февраля 1944 года дивизия вела бои в том районе, после чего сдала позиции 253-й стрелковой дивизии и была переброшена на участок Притыка, Петровичи, а затем 14 марта 1944 года была переброшена на территорию Быховского района Могилевской области, в район деревни Бовки. Участвовала в составе 50-й армии в наступлении на село Красницу и освободила это село, но дальше продвинуться не смогла. 5 апреля 1944 года дивизия сдала свой боевой участок и была выведена в тыл для приема и обучения пополнения.

С 24 июня 1944 года 82-я стрелковая дивизия в составе 3-й армии 1-го Белорусского фронта принимала участие В Белорусской стратегической операции «Багратион» — Бобруйской (24 - 29 июня 1944 года) и Минской (29 июня – 4 июля 1944 года) наступательных операциях.

22 июня 1944 года дивизия сосредоточилась в районе села Медведь севернее города Рогачев Гомельской области. C 24 июня наступала во втором эшелоне корпуса, вела бои с отставшими группировками противника, оказавшимися в окружении, в районе населенных пунктов Ректа и Озеране. Выполнив боевую задачу, дивизия сосредоточилась у озера Крушиновка. С 26 июня дивизия совершала форсированный марш, догоняя первый эшелон, с 27 июня наступала с рубежа Малая Крушиновка между 348-й и 108-й стрелковой дивизиями, чтобы вместе с ними ликвидировать окруженные войска бобруйской группировки противника.

На другой день дивизия вышла к назначенному рубежу, где шли упорные бои. Вместе с частями 348-й стрелковой дивизии 210-й и 250-й стрелковые полки ворвались в оборону противника и выбили его из населенных пунктов Добротин и Ясный, затем уверенно форсировали реку Добысна на подручных средствах.

Не задерживаясь на берегу, части дивизии во взаимодействии с соседними соединениями стремительной атакой освободили еще несколько населенных пунктов, захватили немецкие склады с продовольствием, горючим, боеприпасами и семьдесят человек пленных.

Разведчик пешей разведки ефрейтор С.В.Петялин при освобождении деревни Добысно убил одного гитлеровца, вместе с ефрейтором Щетинкиным вынес с поля боя раненого капитана Бородина.

Награжден медалью «За боевые заслуги».

Темп наступления нарастал. Уничтожая группы прикрытия противника, полки дивизии один за другим освобождали населенные пункты Белоруссии. Позади остались Подлесье, Костричи, Заречье, Бацевичи. В ходе преследования дивизия перерезала железную дорогу Могилев — Осиповичи и с ходу заняла несколько населенных пунктов. Противник отступал неорганизованно, разрозненными группами.

Ликвидацию окруженного в районе Бобруйска противника войска 1-го Белорусского фронта начали сразу же после завершения окружения. В этом принимали участие и соединения 3-й армии при развитии ими наступления на Минск, в том числе 82-я стрелковая дивизия.

Полки дивизии форсировали реку Березина и захватили мосты через реку в районе местечка Свислочь и поселка Елизово (Октябрь).

29 июня части дивизии сосредоточились в районах Елизово (Октябрь), Свислочь, села Новоселки. Командир дивизии отдал приказание командирам полков быть готовыми продолжать преследование противника с утра 30 июня.

Однако 30 июня в 3часа ночи позиции 210-го стрелкового полка дивизии были атакованы колонной войск противник численностью до 15 тысяч человек с танками и штурмовыми орудиями. Группировка врага, пытавшаяся прорваться из Бобруйска на северо-запад по Минскому шоссе, стремилась овладеть переправами на Березине и соединиться с минской группировкой.

210-й полк оказался в исключительно тяжелом положении, а командир дивизии и командир корпуса ничем помочь ему вовремя не могли, так как 250-й и 601-й стрелковые полки к началу этого боя оказались на марше в противоположном направлении. Получив приказание командира дивизии возвратиться на помощь 210-му полку, они не смогли его выполнить, так как сами по пути были атакованы превосходящими силами врага. Таким образом, все полки были втянуты в тяжелые бои с превосходящими силами врага. Но тяжелее всех пришлось 210-му стрелковому полку. Здесь все, начиная от командиров полка и дивизии, офицеров штаба полка, дивизии и до телефонисток включительно, с оружием в руках участвовали в ожесточенном бою. Огонь вели с дистанции 25—30 шагов в упор, часто завязывались ожесточенные рукопашные схватки.

Несмотря на огромное численное превосходство гитлеровцев, им даже ценою огромных потерь не удалось сломить сопротивление полка.

Не сумев прорвать оборону в районе Елизово (Октябрь), гитлеровцы попытались обойти по лесу правый фланг полка и двинулись в направлении местечка Свислочь. Тогда два батальона 210-го полка внезапно нанесли удар противнику с тыла, а встречный удар нанес к этому времени 250-й стрелковый полк. Основные силы вражеской дивизии, зажатые с двух сторон, были разгромлены, а остатки разбежались по лесам. В этот день противник потерял здесь убитыми до 6000 человек, пленными около 7000 человек

30 июня 1944 года в одном из этих боев ефрейтор С.В. Петялин погиб.