До прихода на работу в ГЕОХИ РАН С.И. Ипатов исследовал различные задачи миграции небесных тел (планетезималей, комет, астероидов, транснептуновых объектов и планет) и пылевых частиц в формирующейся и современной Солнечной системе, аккумуляцию планет, формирование люков Кирквуда, астероидную и кометную опасность для Земли, формирование осевых вращений планет и другие проблемы. Эти исследования были основаны на результатах численного моделирования и анализе наблюдений. Ипатов анализировал снимки, сделанные во время полета космического аппарата Deep Impact. Он убирал следы космических лучей со снимков, сделанных этим космическим аппаратом, и изучал выброс вещества с кометы Темпель 1 после ее столкновения с ударным модулем этого космического аппарата. С помощью адаптивного гидродинамического алгоритма FLASH Ипатов изучал процессы динамического перемешивания в протосолнечном облаке. Он исследовал радиационный перенос в атмосферах тестовых внесолнечных планет и анализировал эффективность различных телескопов и стратегий наблюдения для поиска планет около других звезд методом микролинзирования. Ипатов наблюдал астероиды и является сооткрывателем восьми астероидов, получивших номера. Сергей Иванович рассматривал также математические модели для неастрономических задач (трассировка двухслойных печатных плат, генерация акустических волн при движении жидкости в пористой среде).

В ГЕОХИ Ипатов изучал различные проблемы миграции малых тел и пыли в формирующейся и современной Солнечной системе и в некоторых экзопланетных системах, аккумуляцию планет земной группы, формирование системы Земля-Луна. Исследовалось перемешивание планетезималей в зоне питания планет земной группы и вероятности столкновений планетезималей, мигрировавших из различных областей зоны питания планет земной группы, с формирующимися планетами и Луной. Моделировалась миграция тел, выброшенных с Земли, и оценивался рост Луны за счет тел, выброшенных с Земли. Делались оценки обмена метеоритами между планетами земной группы и Луной. Проводились расчеты миграции тел из зоны питания планет-гигантов и из зоны внешнего астероидного пояса к планетам земной группы и Луне. Вычислялись вероятности столкновений этих тел с Землей и Луной. На основе анализа возрастов лунных кратеров и оценок вероятностей столкновений околоземных объектов с Луной проводились оценки изменений численности околоземных объектов в течение последнего миллиарда лет. Рассматривались зависимости отношения глубины кратера к его диаметру от размера кратера на лунных морях и материках. Изучалась миграция планетезималей в планетных системах Проксима Центавра, Траппист 1 и Глизе 581. В частности, было получено, что масса воды, доставленной к потенциально обитаемой внутренней планете Проксима Центавра b из зоны питания планеты Проксима Центавра с, находящейся за линией льда, могла превышать массу земных океанов. Вычислялись размеры зоны питания планеты Проксима Центавра с, устойчивые орбиты внутри этой зоны питания, а также движение планетезималей в сфере Хилла звезды Проксима Центавра. Отмечено, что эта звезда не должна обладать таким же массивным аналогом облака Оорта, как наша Солнечная система. Проводились оценки роста экзопланет за счет планетезималей, первоначально находившихся на различных расстояниях от звезды, в системах ТРАППИСТ-1 и Глизе 581.