Родился 1 сентября 1958 года в Херсоне, Украина. В 15 лет поступил в театральное училище в Днепропетровске, работал в Херсонском театре кукол, служил в армии, затем поступил в школу-студию МХАТ. В 1984 году, после окончания Школы-студии МХАТ, был принят в труппу Московского театра "Современник".

Сергей Гармаш – лауреат трёх премий «Ника» (за лучшую мужскую роль второго плана в фильме «Нежный возраст», лучшую мужскую роль второго плана в фильме «Мой сводный брат Франкенштейн», лучшую мужскую роль в фильме «12»), обладатель приза Постоянного Комитета Союзного государства «Герой нашего времени» («за экранное воплощение настоящего мужского характера»), премии «Золотой Овен» (за лучшую мужскую роль второго плана в фильме «Нежный возраст»), премии «Золотой Орёл» (за лучшую мужскую роль и лучшую мужскую роль второго плана в фильмах «Свои», «12», «Стиляги»), премии журнала «Театрал» (в номинации «Лучший актер пятилетия»), премии «Кумир» (за роль Фамусова в спектакле «Горе от ума»), премия Ассоциации продюсеров кино и телевидения (в номинации «Лучший актер» за роль Игоря Данилова в сериале «Ленинград 46»).