Сергей Полунин родился 20 ноября 1989 года в Херсоне. В четыре года он начал заниматься гимнастикой и планировал поехать на Олимпийские игры, однако через четыре года бросил занятия и ушел в балет. В девятилетнем возрасте Полунин поступил в Киевское хореографическое училище. Мать решила поехать в Киев вместе с сыном, а отец отправился в Португалию на заработки.
В 13 лет Полунин переехал в Лондон для обучения в Школе Королевского балета. После окончания его приняли в труппу лондонского Королевского балета, а уже в 19 лет он стал самым молодым премьером. Во время работы в Лондоне о нем часто писали британские СМИ: в основном из-за ночных вечеринок и возможной наркотической зависимости. Кроме этого, Полунин увлекся татуировками, что, по его словам, вызвало недовольство у руководства. В 2012 году он неожиданно уволился из Королевского балета. В другие европейские театры Полунина не пригласили, и тогда он поехал в Россию, где начал одновременно работать в Москве и Новосибирске.
Полунин снялся в нескольких клипах и фильмах, в том числе в «Убийстве в Восточном Экспрессе» и «Красном воробье», также участвовал в рекламной кампании модного дома Balmain.
В 2019 году он стал исполняющим обязанности ректора Академии хореографии Севастополя, однако в 2024-м уступил должность Марии Александровой, оставшись ее советником.
У Полунина есть украинское и российское гражданства, также он получил паспорт Сербии. В 2018 году поддержал президента РФ Владимира Путина, даже набил на своей груди сразу три его портрета. При этом на руке у него изображен украинский герб. Сам артист не видит в этом противоречия.
«У меня полярность: я и перфекционист, и абсолютный пофигист. У меня нет «между». Я люблю хаос и существовать в нем, это помогает выделению адреналина, и тогда мой мозг соображает. Но также я могу детально ко всему придираться. Я люблю ошибки, мне нравится совершать ошибки, мне интересно, когда ошибаются другие люди. Потому что ошибки — это шанс двинуться вперед», — говорил он о себе.
Полунин женат на Олимпийской чемпионке, фигуристке Елене Ильиных, они воспитывают трех сыновей.