Примыкая к постреволюционной «второй волне» русского авангарда, участвовал в ряде наиболее радикальных художественных экспериментов 1920‑х годов (Координаты живописной поверхности, 1924, ГТГ). Позднее (до 1930) не раз выступал как дизайнер и распорядитель городских агитационных шествий, в 1930—1932 был художественным руководителем и режиссером Театра малых форм московского Пролеткульта. В качестве художника–постановщика кинофильма «Цирк» (реж. Г. Г. Александров; 1936) исполнил огромное число покадровых эскизов, в том числе со знаменитым «танцем на пушке» — эскизов, во многом определивших образную канву фильма. В конце 1930‑х – начале 1940‑х художник специализируется на спортивной тематике. Помимо всемирно известной картины «Шар улетел», пишет глобальный пентаптих «День Конституции. Спартакиада народов СССР» (1932), а также пентаптих «О спорт, ты — мир» (1983). Работы С. А. Лучишкина хранятся в собраниях ГТГ и ГРМ.