Rodil se je 5. aprila 1919 v Trstu v družini mornariškega častnika, ki se je veliko selila, kar je dalo mlademu Vilfanu izjemno jezikovno znanje in je kasneje lahko sam v petih tujih jezikih pisal svoje razprave. Po osnovni in srednji šoli, ki ju je obiskoval v Bratislavi, na Dunaju, v Dubrovniku in Ljubljani, kjer je 1937. maturiral, je 1941. končal študij prava na ljubljanski pravni fakulteti in že naslednje leto doktoriral. 1945–1950 je bil pravni referent v Grosuplju, med 1950 in 1972 pa je vodil Mestni arhiv v Ljubljani. Na Pravni fakulteti v Ljubljani, kjer je bil že od leta 1953 zunanji izpraševalec za pravno zgodovino, je bil od leta 1970 pa do svoje upokojitve 1989 redni profesor za zgodovino države in prava.

Sergij Vilfan je bil interdisciplinarno usmerjen raziskovalec s širokim pogledom in globokim znanjem. Poleg pravne zgodovine, ki jo je pojmoval za svojo osnovno vokacijo, so pomembne njegove raziskave na področju pravne etnologije, socialne in gospodarske zgodovine, metrologije in arhivistike. Leta 1961 je izšla njegova več kot 550 strani obsežna Pravna zgodovina Slovencev od naselitve do zloma stare Jugoslavije, ki jo je Vilfan napisal v dobrem letu. Zanjo še vedno velja, kar je bilo izrečeno ob njenem izidu, namreč, da gre za »doslej najobsežnejšo in najpopolnejšo obravnavo zgodovine prava na slovenskem ozemlju«.

Bil je dopisni član avstrijske in poljske akademije, predsednik nacionalnega komiteja za zgodovinske vede Slovenije, zaslužni profesor ljubljanske pravne fakultete in dvajset let ravnatelj ljubljanskega mestnega arhiva.