Lavochkin a commencé sa carrière à l'été 1927, à l'usine d'aviation de Fili. A cette époque, l'entreprise produisait en série le premier bombardier lourd entièrement métallique TB-1. Jusqu'en 1929, Semyon Alekseyevich a travaillé sur un projet d'hydravion, le bombardier-torpilleur de haute mer TOM-1, mais un seul unique exemplaire fut construit, car l'industrie nationale soviétique avait commencé à cette époque à produire en série une variante flottante du TB-1.

Après l'abandon du projet du TOM-1, le bureau des nouvelles structures (BNK) où travaillait Semyon commença des recherches sur un chasseur biplace, le JI-4. Après avoir travaillé sur des calculs d'aérodynamiques et de résistance, il est devenu le concepteur principal du bureau. Les avions de combat sont devenus son objectif principal de concepteur.

Après le BNK, Lavochkin a travaillé pendant une courte période au Bureau des structures spéciales (BOK) avec V. A. Chizhevsky sur l'avion stratosphérique expérimental BOK-1 et en même temps sur un avion de transport géant. A cette époque, les concepteurs passaient souvent d'un projet à un autre. Jusqu'en 1939, il a participé à de nombreux projets.

Après le transfert du BOK à Smolensk, Lavochkin s'est retrouvé chez D. P. Grigorovich, puis, en 1935, à Podlipki près de Moscou, « sous l'aile » de Léonid V. Kurchevsky, le créateur des canons sans recul. C'est à cette période qu'il est devenu le concepteur en chef de l'usine n° 38, mais pas d'une usine d'avions, mais d'artillerie. Pendant près de sept ans, Kurchevsky et Lavochkin ont essayé d'adapté ces canons à des avions, mais sans succès.

Ce travail sur les canons n'a pas été couronné de succès. Aucun avion équipé de ces armes n'a été accepté pour le service, mais Kurchevsky, persuadé que l'idée était bonne à convaincu ses disciples de continuer à travailler sur le sujet. Lavochkin et Lyushin ont travaillé sur les chasseurs et leur vitesse et maniabilité. Ils ont créé un train d'atterrissage rétractable et un carénage de cockpit plus aérodynamique.

En 1936, Kurchevsky fut démis de ces fonctions, Tupolev proposa bientôt un poste à Lavochkin. La péninsule ibérique, pendant la guerre d'Espagne, est devenu un terrain d'essai aérien pour l'URSS et l'Allemagne. Lavochkin fut nommé concepteur en chef de l'OKB-301 en 1937. Son bureau conçut et construisit des milliers de chasseurs pendant la Seconde Guerre mondiale. Il eut moins de succès dans la mise en production de ses prototypes à réaction d'après-guerre. Quoi qu'il en soit, le bureau avait commencé à se concentrer sur le développement de missiles sol-air. Lavochkin développa le système S-25 (SA-1) pour la défense aérienne de Moscou, le premier missile sol-air opérationnel de l'Union soviétique.

En 1953, les activités liées aux missiles sol-air furent confiées à un nouveau bureau d'études dirigé par Grouchine, l'adjoint de Lavotchkin. L'OKB-301 fut chargé du développement du missile de croisière intercontinental Bouria. Ce dernier, comme le Navajo américain, était considéré à l'époque comme une solution technique manifestement meilleure que le missile balistique intercontinental non testé. Le Bouria fut testé en vol avec succès entre 1957 et 1959, mais ne fut pas mis en production en raison de la supériorité des missiles balistiques intercontinentaux invulnérables, moins coûteux. Lavotchkin mourut en 1960 à un moment où le bureau n'avait pratiquement plus de projets sur la table. Son bureau fut relancé cinq ans plus tard et se vit confier la responsabilité des sondes spatiales planétaires sans pilote.

Semion Alekseyevich a été élu député du Soviet suprême de l'URSS à trois reprises (3 à 5 de la première convocation). Lauréat de quatre prix Staline de l'URSS. Il a reçu trois ordres de Lénine, l'ordre du Drapeau rouge, les 1er et 2e degrés de Souvorov, des médailles, dont celle du mérite militaire.