Русский. Родился Степан в казачьей семье, отец рано умер, мать осталась с двумя детьми. Степану пришлось очень рано начинать работать, с шести лет он был «нянькой» для двоюродного брата (за солому и кизяки для растопки), затем стал помогать дяде косить сено на полях у помещиков. В 1913 году окончил два класса церковно-приходской школы, работал кочегаром на мукомольной мельнице, затем на вальцовой мельнице смазчиком дизелей.
Гражданская война5 марта 1919 года, в 16 лет С. Д. Рыбальченко добровольно вступил в РККА - рядовым батальона связи 37-й стрелковой дивизии, участвовал в боях под Царицыным, в которых дивизия понесла большие потери и была расформирована. В декабре 1919 года С. Д. Рыбальченко вступил в 1-й Донско-Ставропольский кавалерийский полк, участвовал в боях с казаками Шкуро, затем в боях под Армавиром и Моздоком. Под Моздоком С. Д. Рыбальченко тяжело заболел тифом, лечился в госпитале в Армавире, после выздоровления, в апреле 1920 года решил вступить в 1-ю Конную армию Будённого, стоявшую в Батайске, добрался до неё на попутных поездах и был зачислен в 3-е отделение 3-го взвода 4-го эскадрона 32-го кавалерийского полка 6-й кавалерийской дивизии 1-й Конной армии. Во время Советско-польской войны в мае-июне 1920 года участвовал в Киевской операции, в июле-августе 1920 года - в боях под Львовом, после которых дивизия отступила с тяжелыми потерями. С октября 1920 года дивизия перешла во 2-ю Конную армию, участвовала в операции по захвату Крыма. Во время Перекопско-Чонгарской операции участвовал в боях на Чонгарском полуострове и переходе через Сиваш. Дивизия отличилась в боях, получила почётное наименование Чонгарской и вернулась в состав 1-й Конной армии. После этого дивизия сражалась с анархистами Махно, С. Д. Рыбальченко попал в плен к «махновцам», бежал, вернулся в строй. В марте 1921 года приказом РВС из армии демобилизовали всех не достигших призывного возраста, в том числе и С. Д. Рыбальченко.
Между войнамиСтарший лейтенант С. Д. Рыбальченко во время службы на Северном Кавказе
После войны С. Д. Рыбальченко вернулся в родное село, первым в селе вступил в комсомол, учился на двухмесячных партийно-комсомольских курсах в Медвежьем, как бывший «будённовец» был избран секретарём комсомольской ячейки, вступил в местный отряд ЧОН, был делегатом от курсов на губернской комсомольской конференции. Осенью 1921 года С. Д. Рыбальченко поступил на 48-е пехотно-пулемётные командные курсы в Ставрополе, вместе с другими курсантами часто привлекался для борьбы с местными бандами. После окончания курсов, осенью 1922 года С. Д. Рыбальченко был назначен командиром 3-го пулемётного взвода 63-й пулемётной команды 83-го стрелкового полка 28-й горнострелковой дивизии в Грозном, с 1924 года - командир 3-й пулемётной роты того же полка. С 1925 года 83-й стрелковый полк участвовал в ликвидации чеченских бандформирований. В феврале 1927 года С. Д. Рыбальченко был принят в ВКП(б). С 1929 года С. Д. Рыбальченко, командуя ротой, готовился к поступлению в Академию им. Фрунзе, выучил польский язык, в 1931 году прошел отборочную комиссию округа, в 1932 году успешно сдал экзамены. Кроме основной учёбы, дополнительно был слушателем специальной программы авиационной подготовки при Военно-воздушной академии им. Жуковского. После выпуска, в ноябре 1936 года С. Д. Рыбальченко был назначен начальником штаба формировавшейся 1-й отдельной тяжелой бомбардировочной эскадрильи (командир - П. Е. Моисеев). С конца 1937 года С. Д. Рыбальченко - помощник начальника, затем начальник оперативно-разведывательного отдела штаба ВВС Ленинградского военного округа (ЛВО). В 1939-1940 годах участвует в Советско-финской войне начальником оперативного отдела штаба ВВС Северо-Западного фронта, с марта 1940 года - заместитель начальника ВВС ЛВО.
Великая Отечественная войнаВ начале Великой Отечественной Войны С. Д. Рыбальченко назначен заместителем начальника, затем начальником штаба ВВС Северного фронта, участвовал в Ленинградской стратегической оборонительной операции. С сентября 1941 - начальник штаба ВВС Ленинградского фронта, со 2 февраля 1942 года - командующий ВВС Ленинградского фронта. 20 ноября 1942 года С. Д. Рыбальченко был назначен командующим 13-й воздушной армией. Под его командованием армия участвовала в Синявинской операции, Операции «Искра», Операции «Полярная Звезда», Ленинградско-Новгородской, Выборгско-Петрозаводской, Нарвской и Прибалтийской операциях. 24 июня 1945 года С. Д. Рыбальченко в составе сводного полка Ленинградского фронта участвовал в Параде Победы.
После войныПосле войны С. Д. Рыбальченко командовал ВВС ЛВО, с июля 1946 года - командующий ВВС Киевского военного округа, с 1947 года - генерал-инспектор бомбардировочной авиации ВВС и заместитель главного инспектора по ВВС Главной инспекции Вооружённых Сил, в 1951 году окончил Высшие академические курсы при Академии Генштаба, по окончании которых - командующий ВВС Войск Дальнего Востока, с 1953 года - командующий ВВС Дальневосточного военного округа, с 1956 года начальник военной кафедры Ленинградской лесотехнической академии, с 1963 года - в запасе.
Умер Степан Дмитриевич в 1986 году в Москве.