Третья ветвь князей Гагариных разделилась на несколько линий. К старшей линии принадлежал князь Сергей Васильевич Гагарин (1713 — 1782) и его многочисленные потомки. Сам Сергей Васильевич выгодно женился (на дочери петровского соратника графа Павла Ивановича Ягужинского), достиг высоких чинов и званий: действительного тайного советника, шталмейстера, сенатора. Служил при дворе: камер-юнкером у Анны Леопольдовны, камергером у будущего Петра III. Во время царствования Екатерины II он недолго был президентом Коллегии экономии. В 1773 — 1778 годах управлял замосковными имениями императрицы. Большой любитель садоводства и сельского хозяйства, он состоял членом Вольного Экономического общества.
Из сыновей Сергея Васильевича наиболее известен князь Павел Сергеевич (1747 — 1789). В военную службу его записали с 1757 года. В чине полковника он участвовал в русско-турецкой войне 1768 — 1774 годов и за храбрость в сражении при Гирсове, где он командовал 2-м Московским пехотным полком и обратил в бегство 11-тысячный турецкий корпус, был награждён орденом Святого Георгия 4-й степени. В 1788 году получил чин генерал-поручика, в последний год жизни являлся московским обер-комендантом. После его смерти в печати появились стихотворения князя и несколько его прозаических этюдов. Поэтические сочинения Павла Сергеевича написаны в духе сентиментализма, недаром некоторые из них опубликовал в своём альманахе «Аониды» Н. М. Карамзин.
Внучка Сергея Васильевича (от младшего сына Фёдора) — княжна Вера Фёдоровна Гагарина вышла замуж за князя Петра Андреевича Вяземского (подробнее о них см. раздел, посвящённый князьям Вяземским.) Младший брат Веры Фёдоровны — князь Фёдор Фёдорович Гагарин (1786 — 1863) принимал участие почти во всех русских войнах начала XIX века, славился как отчаянный храбрец, но в то же время дуэлянт и игрок. Другая внучка Сергея Васильевича — княжна Наталья Ивановна (1778 — 1832) была женой знаменитого живописца Сальватора Тончи (1756 — 1844), с 1797 года жившего в России и прозывавшегося здесь Николаем Ивановичем. Тончи работал в жанре портрета, запечатлев многих своих современников и создав целую галерею лиц той эпохи.
Среди многочисленных внуков Сергея Васильевича можно отметить князя Николая Сергеевича (1784 — 1842), действительного статского советника, гофмейстера, с 1833 года вице-президента Кабинета Его Императорского Величества. Будучи шефом 1-го пехотного полка, князь сражался при Бородине. В 1830-х годах недолго управлял императорскими стекольными и фарфоровыми заводами. Князь был женат на графине Марии Алексеевне Бобринской, внучке Екатерины II и Григория Орлова. Жизнь Николая Сергеевича оборвалась в результате покушения своего бывшего подчинённого, ранее уволенного им со службы.
Брат Николая Сергеевича — князь Сергей Сергеевич (1795 — 1852), обер-гофмейстер (с 1844), в 1829 — 1833 годах занимал должность директора императорских театров. За время его управления было создано театральное училище и открыт Александринский театр в Петербурге. Позднее Гагарин служил в гоф-интендантской конторе. Его сын (от брака с графиней Изабеллой Валевской) тоже Сергей (1832 — 1890), шталмейстер двора, был знатоком искусства и коллекционером. В 1860 году его избрали почётным членом Императорской академии художеств.
Внучка князя Николая Сергеевича — княжна Софья Николаевна Гагарина была женой графа Михаила Николаевича Муравьёва (-Виленского, 1845 — 1900), министра иностранных дел (с 1897).
Ещё один внук Сергея Васильевича (сын Павла Сергеевича) — князь Павел Павлович (1789 — 1872) в течение многих лет служил в Сенате, с начала 1840-х годов действительный тайный советник и член Государственного Совета. Он получил известность как член Секретного (затем Главного) комитета по крестьянскому делу, который разрабатывал планы отмены крепостного права. В комитете князь занял консервативную позицию, отстаивая интересы помещиков. Именно по его инициативе была принята статья о так называемом дарственном наделе. Суть её заключалась в том, что по взаимному желанию помещик мог передать крестьянам 1/4 часть «высшего» надела даром, сохранив права на всю остальную землю. Этот надел впоследствии получил название «сиротского» или «гагаринского». В то же время Гагарин выступил горячим сторонником Судебной реформы 1864 года. С этого года князь возглавил Комитет министров, а также Государственный Совет (на последнем посту пробыл недолго, с 1865 года председателем Государственного Совета стал великий князь Константин Николаевич). В 1866 году Гагарин был председателем Верховного уголовного суда по делу Д. В. Каракозова, совершившего покушение на Александра II. Умер Павел Павлович в чине действительного тайного советника 1-го класса (высший по гражданской службе табели о рангах).