С января 1900 г. С.М. Лукьянов участвовал в Комиссии по вопросу о реформе средней школы. С 27 апреля 1902 г. – товарищ министра народного просвещения, профессора филологии Григория Эдуардовича Зенгера (1853–1919 гг.), который знал С.М. Лукьянова по Варшаве и ценил его эрудицию и организаторские способности. 3 октября – 14 ноября 1904 г. и 19–31 октября 1905 г. – управляющий Министерством народного просвещения, председательствовал в различных комиссиях по вопросам образования. По словам Сергея Юльевича Витте (1849–1915 гг.), С.М. Лукьянов, «человек неглупый, образованный, талантливый», в кабинете министров высказывал то «самые ретроградные взгляды», то «несколько противоположные». С 1 января 1905 г. – тайный советник. 16 ноября 1905 г. С.М. Лукьянов был назначен присутствовать в Государственном совете, 30 ноября – в первом департаменте Правительствующего Сената. С 23 апреля 1906 г. до 1917 г. был членом Государственного совета и сенатором. В Государственном совете состоял членом многих комиссий, в частности, законодательных предположений, входил в кружок внепартийного объединения. С 27 сентября 1906 г. – член Совета императорского училища правоведения; со 2 апреля 1907 г. до 22 апреля 1917 г. – председатель Попечительского комитета Клинического института великой княгини Елены Павловны. 5 февраля 1909 г. С.М. Лукьянов был назначен обер-прокурором Синода. Считается, что на этот пост его рекомендовали и лейб-медик Евгений Сергеевич Боткин (1865–1918 гг.), который стремился остановить влияние Григория Ефимовича Распутина (1869–1916 гг.) через назначение в Синод «сильного, интеллигентного и неподкупного человека», и министр народного просвещения Александр Николаевич Шварц (1848–1915 гг.), знавший С.М. Лукьянова как «человека твёрдого». Митрополит Евлогий (Георгиевский), напротив, считал С.М. Лукьянова «податливым», Александр Владимирович Богданович – представителем либерального направления. По словам митрополита Евлогия (Георгиевского), С.М. Лукьянов «во всех отношениях порядочный человек, кристально чистой души... отличался педантизмом, и секретари его недолюбливали. Иногда он будил их в 3-4 часа утра и посылал в Синод за какими-нибудь понадобившимися ему из архива бумагами. К должности обер-прокурора был совершенно не подготовлен, ибо не знал ни Церкви, ни народа». Однако в целом Синод был доволен сотрудничеством с С.М. Лукьяновым. По мнению митрополита Арсения (Стадницкого), он был одним из лучших обер-прокуроров предреволюционного времени, старался предоставить церкви наибольшую свободу деятельности, предлагал разрешить первенствующему члену Синода, как и обер-прокурору, докладывать о делах Синода императору. Князь Николай Давидович Жевахов (1874–1946 гг.) называл С.М. Лукьянова «неутомимым тружеником» и отмечал, что тот «находился в теснейшем единении с иерархами, и его деятельность в качестве обер-прокурора Священного Синода приветствовалась даже ярыми противниками синодальной системы». Но у исследователей есть сведения о непопулярности С.М. Лукьянова в среде московского духовенства, особенно монашествующих. На посту обер-прокурора С.М. Лукьянов пробыл относительно короткий срок, но осуществил ряд преобразований.