Анна Петровна Остроумова-Лебедева, дальняя родственница Сергея Васильевича, родилась в Петербурге в 1871 году. С детских лет у нее проявилась способность к рисованию. Еще будучи ученицей последних классов гимназии, она одновременно посещала подготовительные классы частного училища технического рисования (ныне Высшее художественно-промышленное училище имени В. И. Мухиной), куда и поступила после окончания гимназии. Три года она усердно изучала живопись, рисунок и гравюру, а в 1892 году перешла в Академию художеств, где занялась исключительно живописью. С 1896 года ее взял в свою мастерскую Илья Ефимович Репин. Но, занимаясь живописью, Анна Петровна не утратила интереса к гравюре и мечтала возродить это высокое искусство, считавшееся в то время прикладной, почти ремесленной, во всяком случае, подсобной полиграфической специальностью. Получив в этом вопросе поддержку своего первого учителя по училищу, знаменитого гравера профессора В. В. Мате, Анна Петровна не остановилась в своем увлечении перед тем, чтобы уйти из мастерской Репина. Она перешла в мастерскую Мате и в 1900 году представила на академический конкурс четырнадцать черных и цветных гравюр. Известные своим консерватизмом члены совета Академии художеств не сумели по достоинству оценить новаторство, явившееся в представленных ей работах, и она получила звание при очень неблагоприятном соотношении голосов.
В дальнейшем Анна Петровна Остроумова-Лебедева завоевала себе широкое признание выдающегося графика и акварелиста. Главное место в ее творчестве занимал лирический пейзаж. Особенно прекрасны ее акварели и гравюры, посвященные архитектуре Петербурга — Ленинграда и его пригородов.
Анна Петровна большое внимание уделяла также искусству портрета и, в частности, сохранила для нас в своих произведениях проникновенно художнически раскрытый облик ученого — Сергея Васильевича Лебедева.
Многогранное творчество Анны Петровны Остроумовой-Лебедевой было весьма продуктивным. Почти во всех многочисленных музеях нашей необъятной Родины и во многих заграничных собраниях можно найти замечательные произведения ее кисти или резца. Советское правительство высоко оценило значение и роль Анны Петровны Остроумовой-Лебедевой в развитии отечественного изобразительного искусства. В 1942 году ей было присвоено звание заслуженного деятеля искусств РСФСР, а в 1946 году звание народного художника РСФСР. В 1949 году А. П. Остроумова-Лебедева была избрана действительным членом Академии художеств СССР.
На протяжении почти тридцати лет Анна Петровна была верным другом Сергея Васильевича. Творческий энтузиазм, владевший обоими, душевная чуткость, отзывчивость ко всему прекрасному позволяли искусству живописи отлично уживаться с наукой химией. К слову сказать, в творчестве Сергея Васильевича как ученого неуловимо проскальзывают порой незаметные штрихи, показывающие художественную одаренность этой богатой натуры.
После свадьбы Анна Петровна и Сергей Васильевич ненадолго поселились в Карелии в Нодендале. В весенние месяцы и первые месяцы лета прозрачные леса, озера и камни Карелии особенно прекрасны. Белые ночи, когда «одна заря сменить другую спешит, дав ночи полчаса», особо подчеркивают прелесть, казалось бы скупой и бедной, в действительности лишь скромной, но многоликой северной природы. Пронизанные неярким северным солнцем сосновые леса, сбегающие с песчаных косогоров к тихим, глубоким озерам, небольшие, но быстрые речки создают тот необыкновенный и неповторимый колорит, который способствует отдыху и располагает к творчеству. Анна Петровна Остроумова-Лебедева писала в своих примечательных «Воспоминаниях», что именно в этот период у Сергея Васильевича проявилось несомненное дарование к рисунку и живописи, а также тонкое чувство и понимание пейзажа. В дальнейшем Сергей Васильевич не занимался живописью систематически, но сохранившиеся немногочисленные его рисунки наглядно подтверждают справедливость мнения, высказанного его женой.
Их роднило тонкое понимание искусства во всех его формах. Воспитанию этой стороны дарований Сергея Васильевича способствовало его постоянное общение с крупнейшими русскими художниками, товарищами и друзьями Анны Петровны. В кругу семьи Лебедевых часто можно было встретить крупнейших русских и советских художников, композиторов и музыкантов. Художественность натуры Сергея Васильевича проявлялась и в его научном творчестве на протяжении всей его жизни.
Проводимые им, по свидетельству его друзей и соратников, химические эксперименты были всегда настолько строго, тонко и изящно оформлены, что невольно приходило на ум сравнение их с произведениями искусства.