Сергей Гармаш родился 1 сентября 1958 года в городе Херсоне Украинской ССР, в рабочей семье. Отец — Леонид Трофимович Гармаш (род. 1933), сначала был водителем, потом окончил институт и стал работать на руководящих должностях. Мать — Людмила Ипполитовна Гармаш (род. 1935), родом из небольшой деревни на Западной Украине, окончила семь классов и всю жизнь проработала диспетчером на автобусной станции (дед по материнской линии — поляк).
Сергей был непростым ребёнком, пару раз его исключали из школы. Мечтал после школы поступить в мореходное училище, но документы подал в Днепропетровское театральное училище. Окончил училище по специальности «Артист театра кукол». Затем работал в Херсоне, выезжая с гастролями в близлежащие посёлки и колхозы.
Через два года был призван на военную службу в ряды Советской армии — в стройбат. Служил в городе Бологое (со слов актёра на Смоленском кинофестивале «Золотой Феникс»).
В 1980 году после увольнения в запас Гармаш поехал в Москву поступать в высшее театральное училище. Первоначально подал документы сразу в три театральных вуза, но потом остановил свой выбор на Школе-студии МХАТ. На экзамене читал двадцатиминутный отрывок из Достоевского.
В 1984 году окончил актёрский факультет Школы-студии МХАТ (мастерская Ивана Михайловича Тарханова) и был принят в труппу Московского драматического театра «Современник».
Сегодня Сергей Гармаш является одним из ведущих актёров театра с обширным репертуаром: Лопахин в «Вишнёвом саде» А. П. Чехова, старший брат в «Карамазовых и ад» по мотивам позднего Достоевского, Альфонс в «Трёх товарищах» Ремарка, Михаил в «Мурлин Мурло» Николая Коляды и первый министр в «Ещё раз о голом короле» Леонида Филатова.
Среди кинорежиссёров, работавших с Гармашем — Вадим Абдрашитов, Сергей Бодров, Анджей Вайда, Станислав Говорухин, Павел Лунгин, Никита Михалков, Игорь Таланкин, Валерий Тодоровский, Владимир Хотиненко, Сергей Соловьёв, Тимур Бекмамбетов, Юрий Кара.
