В 1921 году он был руководителем химических работ в Плавучем морском институте, возглавлял работы в первой полярной экспедиции на ледоколе «Малыгин» в Белом, Баренцевом и Карском морях. С этого началась его дальнейшая научная деятельность как морского гидрохимика.В этот период им положено начало разработке фундаментальных методических основ химии моря и создано руководство «Методика химической океанографии» (1933 г.).

С 1932 года С.В. Бруевич работал во ВНИРО, проводя различные гидрохимические исследования. В 1936 году ему ученая степень доктора химических наук, а затем он был утвержден в звании профессора. В 1943 году, во время Великой Отечественной войны, под руководством Семена Владимировича была проведена первая комплексная съемка Каспийского моря по единой методике с широким комплексом работ.

С.В. Бруевичем были созданы химические лаборатории в Московском санитарном институте им. Эрисмана, во Всесоюзном научно-исследовательском институте морского рыбного хозяйства и океанографии и в его филиалах, в Арктическом научно-исследовательском институте.

В Институте океанологии он создал и в течение 20 лет (1946-1965 гг.) возглавлял химический отдел. Он же взял на себя руководство первым рейсом научно-исследовательского судна «Витязь» в Черном море, за что был удостоен Государственной премии.

С. В. Бруевичем им было создано химическое направление в работе института и воспитана целая школа специалистов, ставших впоследствии крупными учеными. За время работы Семеном Владимировичем совместно с учениками были развернуты широкие исследования разнообразных объектов и проблем химии океана. Они включают сводные работы по гидрохимии Белого, Баренцева, Аральского, Черного, Охотского, Берингова морей и Тихого океана, который явился главным объектом исследований С.В. Бруевича в последующие годы.

Работы ученого по химическому балансу Мирового океана и обмену между океаном и атмосферой солями и газами нашли научное признание в нашей стране и зарубежом. С.В. Бруевич понимал химию океана как комплексную науку, изучающую химические свойства вод морей и океанов, приводного слоя атмосферы, верхнего слоя донных осадков (химическая статика) и происходящие в них биохимические, физико-химические и собственно химические процессы (химическая динамика).