Семья, в которой родился Сергей, жила в административном центре Сладковского района — селе Никулино, откуда была родом Екатерина Филипповна — мать Сергея, заведующая местным клубом. Анатолий Степанович — отец, родом из соседней деревни Катайск (Никулинское сельское поселение), работал в совхозе бригадиром трактористов. В семье ещё росли брат и две сестры. Сергей с раннего детства участвовал в художественной самодеятельности. С 1973 по 1983 год обучался в никулинской средней школе. В 1984 году был призван в армию, в ВВС. После учебки в Латвии оказался в воинской части в Тернопольской области, где служил механиком самолётных двигателей.
По возвращении из армии осенью 1986 года поступил на рабфак Уральского государственного университета имени А. М. Горького в Свердловске и летом 1987 года стал студентом исторического факультета Уральского университета. Среди однокурсников был Григорий Лифанов, в тот год не прошедший в театральный, — вдвоём с ним стали посещать свердловские театры, студенческие спектакли. За компанию в 1989 году Сергей отправился в набиравший труппу недавно созданный «Театрон» и, пройдя прослушивание у Игоря Турышева, стал его артистом. Занятость в театре и неудовлетворённость преподаванием истории на факультете (шли годы перестройки) побудили перейти на заочную форму обучения. Окончательный разрыв с университетом произошёл на третьем курсе.
В 1992 году вместе с Г. Лифановым и ещё несколькими артистами «Театрона» поехали в Москву, в ГИТИС, набор на кафедру актёрского мастерства проводил Владимир Андреев. Мастером курса стала профессор И. И. Судакова, представительница театральной династии, среди педагогов были О. Д. Якушкина, Б. В. Хвостов. Учёба в мастерской привила уважение к «классическому» театру. Весь институт тогда обсуждал постановку Петра Фоменко «Волки и овцы» и с этого началось увлечение Сергея Мастерской Фоменко. Однако, завершив обучение в 1997 году, вернулся в Екатеринбург.
В 2003 году на постановке пьесы К. Костенко «Клаустрофобия» в «Театроне» произошла встреча с режиссёром спектакля Николаем Колядой. Это послужило началом многолетнего сотрудничества. В новый спектакль «Птица Феникс» (2004) на собственной площадке «Коляда-театра» на главную роль Коляда выбрал Фёдорова. Год продолжалась жизнь на два театра и только в 2005 году Сергей окончательно перешёл к Н. Коляде, где стал одним из ключевых актёров, которому по плечу роли широчайшего диапазона, включая «гротескные, на грани карикатуры».
Он и сейчас, будучи одним из «столпов» труппы Коляды, чей театр славится авангардными поисками новых форм, остаётся ярко выраженным характерным артистом с сильным комическим уклоном. Фёдоров умеет главное — пройти по тонкому лезвию между гротеском и реализмом — и не срезаться, важнейшее качество для артиста в системе Николая Владимировича.
Искромётный дар гротеска вкупе с высокопрофессиональной техникой сообщает всем ролям Фёдорова поразительную глубину, даёт то пространство свободы, где смех побеждает смерть, где со смертью в очередной раз можно сыграть в дурака.
Коллега по театру Олег Ягодин определил его положение в труппе как «батя».
Вместе с театром участвовал во многих фестивалях как в стране: «Новая драма», «Реальный театр», «Золотая маска», так и за рубежом: Passages в Нанси (2009) и Метце (2013), на Шекспировских фестивалях в Гданьске (2011), Бухаресте (2012), Дьюле (2018) и других. Входил в жюри Международного театрального фестиваля современной драматургии «Коляда-Plays» (Екатеринбург), а также Всероссийского фестиваля «Юность».
С 2011 года С. Фёдоров принимает участие в работе Центра Современной Драматургии, где кроме спектаклей участвует в актёрских читках, в том числе выездных. В 2013 году был приглашён в спектакль «Сатори» на новой сцене Свердловской музкомедии (режиссёр А. Вахов).
В рамках III Уральской индустриальной биеннале в 2015 году вместе с другими артистами «Коляда-театра» принимал участие в променад-спектакле «Пролом» (драматург В. Шергин), игравшегося в цехах типографии «Уральский рабочий», а в 2016 году в Уф ГЦСИ — в променад-спектакле «Школа» (драматурги: С. Карабаева, В. Шергин).
В октябре 2017 года сыграл на открытии московского «Театр Новых пьес» Н. Коляды («Старая зайчиха»). В 2019 вышел на сцену Камерного театра в главной роли в «Гробовщике» А. Пушкина (реж. Н. Коляда).
Первой заметной работой Сергея в кино стала роль алкоголика Васи Жмуркина в комедийно-детективном сериале 2007—2008 годов «Дело было в Гавриловке». Ныне у актёра опыт сотрудничества с Сергеем Лозницей и Алексеем Федорченко.
Сергей Фёдоров живёт и работает в Екатеринбурге. Женат на драматурге Анне Богачёвой, воспитывает сына.
