Opisał ponad 200 nowych gatunków motyli (niektóre źródła podają dokładną liczbę 279 nowych gatunków, oznaczanych skrótem Toll, np. Aethes adelaidae, czy , niektóre wykazał z terenu Katowic), w większości z rodziny Coleophoridae, dokonał opracowań faunistycznych wybranych regionów Polski.
Zgromadził dużą kolekcję owadów, głównie motyli, które zbierał m.in. w okolicach Warszawy, Rostowa nad Donem, rodzinnego Stemplewa, w ostatnich latach życia w Bieszczadach i Pieninach; około 40 000 egzemplarzy podarowanych muzeum miejskiemu w Rostowie nad Donem przez Sergiusza Tolla znalazło się w Uniwersytecie w Rostowie nad Donem, a około 100 000 egzemplarzy trafiło do Muzeum Przyrodniczego Instytutu Systematyki i Ewolucji Zwierząt PAN, zdaniem jest to najlepsza polska kolekcja motyli. Podczas pobytu w Bydgoszczy zgromadził około 12 tysięcy motyli i 8 tysięcy jaj ptaków. Łącznie zgromadził 12 tysięcy ptasich jaj. Niektóre zbiory znajdują się także w Dziale Przyrody Muzeum Górnośląskiego w Bytomiu. Część preparatów znajduje się w zbiorach prywatnych.
Jego zainteresowania naukowe obejmowały również prostoskrzydłe, sieciarki, kózki, ponadto poruszał tematykę łowiecką i zagadnienia ochrony przyrody.