После революции принимал участие в агитационном оформлении улиц и площадей Петрограда к первой годовщине Октябрьской революции. Входил в художественную коллегию Отдела ИЗО Наркомпроса.

В 1918–1923 и 1925–1927 был художественным руководителем Государственного фарфорового завода в Петрограде (затем Ленинграде). В 1923–1925 заведовал художественной частью Новгубфарфора (бывших заводов Кузнецовых в Новгородской губернии). Исполнил первые образцы агитационного фарфора. Занимался разработкой советской геральдики, в частности создал проект герба РСФСР, печати Совнаркома, бумажных и серебряных денег. В 1925 принял участие в Международной выставке художественно-декоративных искусств в Париже, в 1926 — во Всесоюзной выставке советского фарфора в Москве.

Продолжал так же много работать в области книжной графики, сотрудничал в издательствах «Творчество», «Светозар», «Всемирная литература», издательстве Э. И. Гржебина. Участвовал в выставках книжного искусства во Флоренции (1922) и Лейпциге (1927).

В 1928 эмигрировал во Францию, поселился в Париже. В том же году экспонировал фарфор на Осеннем салоне. Провел персональные выставки в салоне на Рю де ля Пе (1928) и галерее «Ренессанс» (1929). Был участником многих групповых выставок русского искусства: в Берлине (1922), Нью-Йорке (1924), Лос-Анджелесе (1925), Токио (1927), Брюсселе (1928), Копенгагене (1929).

В эмиграции обратился к театрально-декорационному искусству. Работал для театра-кабаре Н. Ф. Балиева «Летучая мышь», оформив ряд постановок, в том числе «Слепой музыкант» (1928–1929), «Руслан и Людмила» М. И. Глинки (1929). Также сотрудничал с Русским балетом Веры Немчиновой в театре Елисейских полей, создавал костюмы и декорации к спектаклям «Исламей» М. А. Балакирева и «Снегурочка» А. К. Глазунова. В 1929 работал для журнала Vogue. В последние годы жизни разрабатывал эскизы ювелирных украшений, мебели, часов, создавал рисунки тканей, занимался росписью и реставрацией фарфора.

Сергей Чехонин больше всего известен как художник по фарфору, где он создал свой стиль, в особенности же стиль и школу так называемого агитационного фарфора начала 1920-х. Именно благодаря Чехонину в русском художественном фарфоре первых двух десятилетий ХХ столетия преобладала ориентация на стилистику «Мира искусства» (по существу, стилистику модерна). Оставил заметный след в книжном искусстве и станковой графике. Блестяще владел техникой рисования кистью.

Ярко выраженные стилевые особенности искусства Чехонина позволяют узнавать его произведения с первого взгляда: приверженность «своему» стилю была у художника неуклонной, в какой бы области он ни работал, вплоть до миниатюрных портретов.

Произведения Чехонина находятся во множестве музейных собраний в России и за рубежом, в том числе в ГМИИ им. А. С. Пушкина в Москве, Люксембургском музее в Париже, а также в частных коллекциях.