Выдающийся физик-теоретик, специалист по ферромагнетизму и квантовой теории твердого тела. Дважды Лауреат Государственной премии СССР. Герой Социалистического Труда. Академик АН СССР (РАН). Доктор физико-математических наук, профессор. Заместитель директора Института физики металлов Уральского научного центра АН СССР, основатель уральской научной школы теории магнетизма. Награжден тремя орденами Ленина, двумя орденами Красной Звезды, орденом Трудового Красного Знамени, двумя орденами «Знак Почета», Золотой медалью имени С. И. Вавилова. С 1947 г. непрерывно работал в Институте физики металлов АН СССР: заведующий отделом, с 1950 г. — заместитель директора института, с 1953 г. — заведующий лабораторией, с 1993 г. — главный научный сотрудник.
Труды С. В. Вонсовского посвящены квантовой теории твердого тела, многоэлектронной теории металлов и полупроводников, теории ферро- и антиферромагнетизма, сверхпроводимости. В 1941 г. он разработал способ создания в ферромагнетиках магнитной текстуры путем термомеханической обработки. Создал новые технические магнитные материалы. Автор более 170 научных работ и 8 монографий, основные из которых: «Ферромагнетизм» (1948, соавтор Я. С. Шур), «Современное учение о магнетизме» (1953), «Магнетизм» (1971), «Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений» (1977), «Квантовая физика твердого тела» (1983).