Син військового юриста. Закінчив гімназію у м. Рига (1895) і того ж року вступив до Петербургської Військово-медичної академії. У 1899 році студентом четвертого курсу поїхав до Німеччини, де з метою навчання відвідував клініки Кенігсберзького та Гейдельберзького університетів. Ця поїздка суттєво вплинула на формування С. А. Томиліна, як майбутнього соціал-гігієніста.