Сергей Полунин родился в Херсоне, в семье Галины и Владимира Полуниных. В четыре года начал заниматься гимнастикой в спортивной школе под руководством Н. А. Сикновенко, а затем А. Н. Ярушева.

Уже в этом возрасте Сергей поставил себе цель получить олимпийскую медаль, с четырёх лет он проводил в зале по шесть часов. В восемь лет перешёл из гимнастики в херсонскую танцевальную школу «Ювента», к педагогу Г. И. Шабаршиной; по окончании годовой подготовки в девять лет поступил в Киевское хореографическое училище, где его педагогами были Э. Б. Костюков, Т. М. Мартыненко (преподавала парные классы[уточнить]) и Н. Д. Прядченко.  В 2002 году стал призёром Международного конкурса имени Сержа Лифаря. В следующем году, в возрасте тринадцати лет, при поддержке фонда Рудольфа Нуреева, переехал в Лондон, чтобы учиться в Школе Королевского балета. В 2006 году участвовал в конкурсе «Приз Лозанны», став его финалистом. По окончании обучения в 17 лет был принят в труппу лондонского Королевского балета. Два года спустя, в 19 лет, он становится самым молодым премьером в истории этой труппы. В 22 года Сергей покидает Лондон и уезжает в Россию, где летом 2012 года по приглашению художественного руководителя балетных трупп двух российских театров Игоря Зеленског становится премьером Московского музыкального театра имени Станиславского и Немировича-Данченко и одновременно — постоянным приглашенным солистом Новосибирского театра оперы и балета.

В 2016 году по приглашению того же Игоря Зеленского стал приглашённым солистом Баварского государственного балета (Мюнхен). В 2017 году получил сербское гражданство. 30 ноября 2018 года объявил о принятии российского гражданства и своей поддержке деятельности Президента России Владимира Путина. В 2018 году участвовал в рекламной кампании модного дома Balmain. В январе 2019 года должен был танцевать «Лебединое озеро» в парижской Опере, однако после серии высказываний в своём инстаграме, перевод и опубликование которых театральным критиком в балетном журнале вызвало на Западе скандал, руководитель труппы Орели Дюпон отказалась от сотрудничества с танцовщиком, сославшись на то, что его взгляды «противоречат ценностям театра». В марте 2019 года Сергей Полунин сообщил о назначении художественным руководителем балетного училища, которое будет построено в Севастополе.