24 февраля 1944 года во время боёв за освобождение Красной Армией Витебской области немецкие войска атаковали и окружили миномётный дивизион, в котором служил Богомолов. 38 советских солдат отбивали атаки немцев в течение 14 часов. Фельдшер и комсорг Богомолов возглавил группу из 11 человек. Ему удалось поднять моральный дух бойцов – они отбили все атаки врага. Сам Богомолов выносил раненых с поля боя и лично уничтожил восемь вражеских солдат.

За мужество и героизм младшему лейтенанту медицинской службы Сергею Богомолову было присвоено звание Героя Советского Союза.