В Советской Армии с июня 1941. С этого времени на фронте. Пулеметчик 220 го гвардейского стрелкового полка (79-я гвардейская стрелковая дивизия, 8-я гвардейская армия, 1-й Белорусский фронт) гвардии. 
Рядовой Мостовой в ночь на 25.01.1945 одним из первых переправился через р. Варта в р-не г.Познань (Польша). Заняв выгодную позицию, Пулеметным огнем способствовал форсированию реки, участвовал в отражении контратак противника, уничтожил 2 огневые точки врага и более 10 гитлеровцев. 
В 6 роте «… отличался сказочной храбростью наводчик станкового пулемёта гвардии рядовой Сергей Андреевич Мостовой, бывший колхозник Калачевского района Воронежской области…. В бою за высоту 81,9 Сергей Мостовой всё время был рядом с командиром роты. Отражая вражескую контратаку, он израсходовал восемь пулемётных лент. Когда кончились патроны, пустил в дело гранаты. Но вот не стало и гранат, а немцы продолжали наседать. Тогда боец разъединил пулемёт, взял в одну руку станок, в другую — лопату и, поднявшись во весь рост, бросился вперёд. Раскрутив над головой пулемётный станок, он им разметал себе дорогу среди немецких автоматчиков, а лопатой крошил черепа тем, кто оставался у него под ногами. При виде русского богатыря немцы опешили и покатились обратно в овраг. На краю оврага Мостовой остановился, вытер с лица пот. И тут ему на глаза попался напуганный немецкий ефрейтор. Гвардеец схватил его и зажал под мышкой. „Уходите отсюда прочь, сволочи, а то всем головы снесём!“ — крикнул он и с пленным ефрейтором не спеша пошёл к своему командиру».— Маршал Советского Союза В. И. Чуйков. 
Звание Героя Советского Союза присвоено 24.03.1945 г.