В Красной армии — с октября 1929 года. Служил мотористом в 17-м авиационном парке, в феврале 1931 года был направлен на учёбу. В 1931 году окончил военную школу пилотов при 83-м авиационном отряде. С августа 1931 года — младший лётчик и старший лётчик 33-й авиаэскадрильи. С мая 1934 года — командир отряда в 41-й авиаэскадрилье 83-й истребительной авиабригады ВВС Белорусского военного округа.

С ноября 1936 по апрель 1937 годах добровольцем участвовал в гражданской войне в Испании, где был командиром авиационного отряда. Воевал на истребителе И-16. В Испании совершил более 200 боевых вылетов, сбил лично 3 и в группе — 4 самолёта противника[6]. Однако после возвращения в СССР на встрече с заместителем Народного комиссара обороны СССР по авиации Я. И. Алкснисом в апреле 1937 года доложил ему о том, что сбил 12 самолётов лично (эта цифра часто встречается в литературе).

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 4 июля 1937 года Денисову Сергею Прокофьевичу присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина, а после учреждения особой степени отличия — медали «Золотая Звезда» № 51.

С мая 1937 года — командир истребительного авиационного полка. С августа 1938 по апрель 1939 года — командир 142-й легкобомбардировочной авиабригады ВВС Белорусского военного округа[7]. В 1939 году окончил Курсы усовершенствования командного состава при Академии Генерального штаба РККА. С апреля 1939 года — командующий 2-й Армией особого назначения (АОН-2) с штабом в Воронеже.

В 1939 году принимал участие в военном конфликте с Японией в районе реки Халхин-Гол, будучи старшим группы военных специалистов, направленных в помощь действовавшим в зоне боёв авиачастям.

С 10 января 1940 года — командующий ВВС 7-й армии. В этой должности участвовал в Советско-финской войне. Указом Президиума Верховного Совета СССР от 21 марта 1940 года за умелое руководство боевыми действиями при прорыве линии Маннергейма комдив Денисов Сергей Прокофьевич награждён второй медалью «Золотая Звезда» (№ 4). Примечательно, что Денисов стал пятым и последним из довоенных дважды Героев Советского Союза.

В апреле 1940 года С. П. Денисов назначен командующим ВВС Закавказского военного округа. Эта должность стала пиком его карьеры.

Во время Великой Отечественной войны с августа 1941 года он — начальник Качинской военно-авиационной школы пилотов имени А. Ф. Мясникова.

С февраля 1943 года — командир 283-й истребительной авиационной дивизии 16-й воздушной армии. Во главе дивизии хорошо проявил себя во время Курской битвы и битвы за Днепр.

С февраля 1944 года — старший помощник начальника 4-го отдела по тактической подготовке Управления формирования и военной подготовки ВВС Красной Армии. С октября 1946 года по ноябрь 1947 года учился в Высшей военной академии имени К. Е. Ворошилова[8].

С 1947 года в отставке по болезни. Сергей Прокофьевич Денисов скончался 6 июня 1971 года в городе Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище.

Бюст в Ольховатке

Член КПСС с 1930 года. Депутат Верховного Совета СССР 1-го созыва (1937—1946).