Родился 26 июля 1962 года в г. Сухуми. Школу окончил в г. Сочи.
В 1984 окончил кораблестроительный факультет Горьковского института инженеров водного транспорта.
В 1984—1986 гг. проходил службу в рядах Советской Армии.
С 1986 года работал мастером на судостроительном заводе «Красное Сормово». Был секретарем заводского комитета ВЛКСМ, первым секретарем Горьковского обкома ВЛКСМ.
В конце 1980-х годов стал генеральным директором молодежного концерна АМК.
В марте 1990 года избран депутатом Горьковского областного совета народных депутатов.
В 1991—1993 гг. обучался в Академии народного хозяйства при Правительстве РФ по специализации «Финансы и банковское дело».
В 1993—1996 гг. — председатель правления банка «Гарантия».
С августа 1994 года — член Совета по промышленной политике и предпринимательству при Президенте РФ.
В 1996—1997 гг. — президент нефтяной компании «НОРСИ-ойл». Рекомендован на пост администрацией Нижегородской области и Правительством РФ.
13 мая 1997 года назначен первым заместителем министра топлива и энергетики РФ.
С 2 сентября 1997 года — заместитель председателя комиссии Правительства РФ по координации деятельности федеральных органов исполнительной власти и органов государственной власти субъектов Российской Федерации по реализации соглашений о разделе продукции.
В октябре 1997 года назначен руководителем Межведомственной комиссии по вопросам доступа независимых организаций к газотранспортной системе РАО «Газпром».
С октября 1997 года — член коллегии представителей государства в АК «Транснефть».
20 ноября 1997 года Указом Президента РФ Бориса Ельцина назначен министром топлива и энергетики Российской Федерации.
24 апреля 1998 года Указом Президента РФ Бориса Ельцина назначен Председателем Правительства РФ. 23 августа того же года Указом Президента РФ Б. Ельцина правительство С.В. Кириенко было отправлено в отставку в полном составе.
18 декабря 1998 года в Министерстве юстиции Российской Федерации зарегистрировано Oбщероссийское общественное политическое консервативное движение «Новая сила», которое возглавил Сергей Кириенко.
В 1999 году — сопредседатель и лидер Избирательного блока «Союз правых сил».
19 декабря 1999 года избран депутатом Государственной Думы Федерального Собрания РФ. Избран лидером фракции «Союз правых сил» в Государственной Думе третьего созыва.
18 мая 2000 года указом Президента РФ Владимира Путина назначен полномочным представителем Президента РФ в Приволжском федеральном округе.
С мая 2001 года — председатель Государственной комиссии РФ по химическому разоружению.
15 ноября 2005 года распоряжением Правительства РФ назначен руководителем Федерального агентства по атомной энергии.
С 12 декабря 2007 года — генеральный директор Государственной корпорации по атомной энергии «Росатом».
С 5 октября 2016 года - первый заместитель главы администрации президента РФ, с 27 декабря 2016 года вместе с этим также возглавил Наблюдательный совет Росатома.
С.В. Кириенко награжден Орденом Почёта, Орденом "За заслуги перед Отечеством" IV степени, Орденом cвятого преподобного Серафима Саровского II степени, Орденом преподобного Сергия Радонежского I степени, медалью Анатолия Кони.