В 1958-1968 годах Сергей Хрущев работал в ОКБ Челомея заместителем начальника отдела, разрабатывал проекты крылатых и баллистических ракет, участвовал в создании систем приземления космических кораблей, ракеты-носителя "Протон".
В 1959 году, всего через год после окончания института стал лауреатом Ленинской премии, впоследствии - доктором технических наук.
В 1963 году был удостоен звания Героя Социалистического Труда. В последствии работал заместителем директора Института электронных управляющих машин, заместителем генерального директора НПО "Электронмаш".