Родился 23 июня 1920 года в селе Монастырщина Тульской губернии. Окончил Московский химический техникум, а в 1940 году — Борисоглебское военное авиационное училище.

Начал воевать в июле 1941 года под Львовом.

Прошел все главные воздушные сражения Отечественной войны: Сталинград, Кубань, Курск, Днепр, Тернополь.

Был сбит семь раз, четырежды — под Сталинградом.

Остался жив. Всего он провел 280 боевых вылетов, более 60 воздушных боев, лично сбил 27 и в группе — 6 самолетов противника.

В 1952 году окончил Военно-воздушную академию, а в 1959 году — Военную академию Генштаба.

Командовал полком, дивизией.

Летал до 1977 года, освоил большинство типов новых боевых самолетов.

В 1977-1981 годах был заместителем главкома ВВС. В 1989 году генерал-полковник авиации Горелов вышел в отставку.

Заслуженный военный летчик СССР.

Жил и работал в Москве.

С. Д. Горелов умер 22 декабря 2009 года.

Похоронен на Троекуровском кладбище.

Герой Советского Союза (26.10.1944).

Награжден двумя орденами Ленина, семью орденами Красного Знамени, орденом Александра Невского, двумя орденами Отечественной войны 1-й степени, орденом Красной Звезды, медалями, иностранными орденами.