Сергей Полунин родился в Украине. Учился в Киевском государственном хореографическом училище и Школе Королевского балета в Лондоне. По окончании обучения в возрасте 17 лет начал работать в лондонском Королевском балете, а в 19 лет стал самым молодым премьером в истории прославленной труппы. Исполнял партии: Де Грие («Манон» в постановке К. Макмиллана), Солор («Баядерка» в постановке Н. Макаровой), Альберт («Жизель»), Щелкунчик-принц («Щелкунчик»), Принц («Золушка»), Принц Дезире («Спящая красавица»), Арман («Маргарита и Арман» в постановке Ф. Аштона), главную партию в балете Ф. Аштона «Рапсодия» и многие другие. В 2011 году Сергей Полунин исполнил главную партию Валета Червей в балете «Алиса в Стране Чудес» - первом за последние 25 лет многоактном сюжетном балете, поставленном в Королевском балете (хореограф К. Уилдон).
В 2006 году Сергей Полунин завоевал золото на Международном конкурсе артистов балета «Приз Лозанны», получив также приз зрительских симпатий. В том же году стал победителем «Молодежного Гран-при Америки» и обладателем золотой медали Международного конкурса имени С. Лифаря в Киеве.
В 2007 году был назван «Молодым танцовщиком года» в Великобритании. В 2010 году получил Национальную премию британского сообщества критиков (Critics' Circle National Dance Awards) как лучший танцовщик, а в 2011 году – как лучший классический танцовщик.
С 2012 года Сергей Полунин – премьер балетной труппы Московского академического Музыкального театра имени К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко. Исполняет партии: Франц («Коппелия»), Рудольф («Майерлинг»), Принц Зигфрид («Лебединое озеро»), Базиль («Дон Кихот»), Альберт («Жизель»), Щелкунчик-принц («Щелкунчик»).