Сергей Полунин родился в украинском городе Херсон в семье Галины и Владимира Полуниных. В 4 года начал заниматься гимнастикой в спортивной школе под руководством Н. А. Сикновенко, а затем А. Н. Ярушева. В 8 лет перешёл из гимнастики в херсонскую танцевальную школу «Ювента», к педагогу Г. И. Шабаршиной. По окончании годовой подготовки в 9 лет поступил в Киевское государственное хореографическое училище, где его педагогами были Э. Б. Костюков, Т. М. Мартыненко (преподавала парные классы) и Н. Д. Прядченко.

В 2003 году в возрасте 13 лет он при поддержке Фонда Рудольфа Нуреева уезжает в Лондон на учёбу в Школу Королевского балета. По окончании обучения в 17 лет начинает работу в Королевском балете Лондона и становится в 19 лет самым молодым премьером в его истории.

В 22 года Сергей решает покинуть Лондон и уезжает в Россию, где летом 2012 года по приглашению артиста балета, балетмейстера и художественного руководителя балетных трупп двух российских театров Игоря Зеленского становится премьером музыкального театра им. Станиславского — Немировича-Данченко (Москва), а также постоянно приглашенным солистом Новосибирского театра оперы и балета.

Награды и премии:
2001 — призёр танцевального конкурса в «Артеке»
2002 — призёр конкурса «Юность балета»
2002 — призёр Международного конкурса артистов балета имени Сержа Лифаря, Киев
2006 — стипендия и приз зрительских симпатий балетного конкурса «Приз Лозанны», Швейцария
2006 — победитель балетного конкурса Youth America Grand Prix[en], Нью-Йорк
2006 — Золотая медаль Международного конкурса артистов балета имени Сержа Лифаря, Киев
2007 — звание «Молодой танцовщик года» (Великобритания)
2010 — Национальная премия британского сообщества критиков (Critics' Circle National Dance Awards) в номинации «самый перспективный танцовщик»
2011 — Национальная премия британского сообщества критиков (Critics' Circle National Dance Awards) в номинации «лучший классический танцовщик»
2012 — победитель конкурса «Большой балет» на телеканале «Культура» в номинации «лучший танцовщик»
2014 — приз журнала «Балет» «Душа танца» в номинации «Звезда»