Известность Сергею Павлову принесла повесть "Акванавты" (1968), в которой сюжет показывает освоение океана ближайшего будущего и случайную запись воспоминаний человека в мозг гигантской манты. Несмотря на то, что автор написал еще несколько интересных научно-фантастических повестей, главной книгой его жизни стал большой роман-дилогия "Лунная радуга" (1978-83 гг.). В этом эпическом произведении, как пишет сам автор: «нашли отражение альфа и омега моих писательских интересов – эволюция человека (как процесс) и появление в нашем мире нового человека (как результат)». В романе повествуется о четверке космодесантников, вернувшихся из трудной экспедиции в Дальнее Внеземелье, к планете Уран. Но спустя несколько лет они с удивлением узнают, что во время их похода неизвестным способом приобрели необычные для человеческого организма свойства, во многом изменившие их сущности. Различные экстрасенсорные способности делают их почти что Сверхлюдьми, и функционеры космической программы, а также Международная служба космической безопасности, пытаются разгадать тайну четверки то ли людей, то ли нелюдей…
Этот роман стал очень популярным в среде любителей фантастики, а термин "внеземелье", авторство которого принадлежит С. Павлову настолько прижился, что ныне широко употребим и часто встречается не только на страницах произведений многих фантастов, но и стал именем нарицательным для обозначения миров за пределами Земли.
Эти произведения были экранизированы.
Все свои фантастические произведения, исключая лишь "Акванавты" и "Ангелы моря", относимые самим Сергеем Павловым к "океаническому" циклу "Мокрый космос", автор относит к единому большому "космическому" циклу "Внеземелье" (большую часть которого, в свою очередь, представляет самый известный — цикл "Лунная радуга").
