Участва в Битката при Горни Дъбник. Тя е част от плана на руското командване за прекъсване на комуникационната и снабдителната линия на Западната турска армия и затваряне на блокадния пръстен около Плевен. Първоначално лейбгвардейския Измайловският полк е определен за резерв на основните сили, но поради неуспеха на атаката е включен в боя. Към 17 часа и 30 минути на 12 октомври 1877 г., 10-а рота с командир щабскапитан Сергей Кушелев достига първа до вала на турския редут. Командирът изкачва вала, обръща глава назад към ротата си и извиква: „Момчета след ...“. В този момент е убит от куршум в гърдите от ранен турски офицер, лежащ около бруствера. Малко след това редутът е превзет. Тялото на щабскапитан Сергей Кушелев е погребано на 14 октомври край село Горни Дъбник върху тракийска могила.