Родился 26 ноября 1972 г. в г. Бельцы Молдавской ССР (ныне Республика Молдова).
В 1993 г. окончил Симферопольское высшее военно-политическое строительное училище, позднее - Крымский институт экономики и управления (ныне в составе Крымского федерального университета им. В. И. Вернадского). Имеет степень бакалавра по специальности "экономика предприятий" и степень магистра по специальности "финансы и кредит".
В 1990-х гг. занимался предпринимательской деятельностью в Симферополе. В 1993-1998 гг. - заместитель директора кооператива "Эллада" (торговля продуктами питания).
С октября 1998 г. по март 2001 г. - заместитель директора компании "Астерикс".
С апреля 2001 г. по февраль 2014 г. являлся заместителем директора фирмы "Эскада".
Со второй половины 2000-х гг. вел общественно-политическую деятельность. С 2008 г. входил в Русскую общину Крыма, с 2009 г. был членом правления организации "Гражданский актив Крыма", сопредседателем координационного совета "За русское единство в Крыму".
В начале 2009 году был избран сопредседателем координационного совета "За русское единство в Крыму". В конце того же года стал одним из основателей и лидером Всекрымского общественно-политического движения "Русское единство", в которое вошли Русская община Крыма, "Гражданский актив Крыма" и др. В 2010 г. возглавил политическую партию "Русское единство".
В 2010 г. был избран депутатом Верховного совета Автономной Республики Крым (АРК, в составе Украины) VI созыва от партии "Русское единство", получившей на парламентских выборах 4% голосов избирателей.
В октябре 2012 г. участвовал в выборах в Верховную раду Украины, баллотировался по одномандатному избирательному округу. В парламент не прошел (занял 4-е место, получив 9% голосов избирателей).
В феврале 2014 г. на Украине произошел государственный переворот, в результате которого к власти пришла прозападная оппозиция. В Крыму отказались признавать легитимность нового правительства. 27 февраля Верховный совет АРК выразил недоверие Совету министров республики и отправил прежнее правительство во главе с Анатолием Могилевым (от Партии регионов) в отставку. В тот же день Сергей Аксенов был назначен председателем Совета министров Автономной Республики Крым (за - 53 депутата).
1 марта 2014 г. Сергей Аксенов издал приказ о переподчинении себе всех силовых структур Крыма, а также возложил на себя обязанности Верховного главнокомандующего Вооруженными силами АРК. В тот же день он обратился к президенту РФ Владимиру Путину с просьбой об оказании содействия в обеспечении мира и спокойствия на территории региона.
16 марта 2014 г. на общекрымском референдуме о статусе полуострова 96,77% жителей Крыма высказались за воссоединение с Россией.
18 марта 2014 г. президент РФ Владимир Путин, председатель Совета министров Крыма Сергей Аксенов, председатель Государственного совета Крыма Владимир Константинов и глава Севастополя Алексей Чалый подписали Договор между Российской Федерацией и Республикой Крым о принятии в Российскую Федерацию Республики Крым и образовании в составе Российской Федерации новых субъектов. В тот же день Серей Аксенов был утвержден в должности председателя Совета министров Республики Крым как субъекта РФ.
В начале апреля 2014 г. стал сопредседателем крымского регионального отделения "Общероссийского народного фронта".
14 апреля 2014 г. указом президента РФ Владимира Путина был назначен временно исполняющим обязанности главы Республики Крым.
17 сентября 2014 г. президент России внес в Государственный совет Крыма кандидатуры трех претендентов на пост руководителя республики, включая Сергея Аксенова. 9 октября 2014 г. депутаты республиканского парламента единогласно (75 голосов) избрали Сергея Аксенова главой Крыма. В тот же день он вступил в должность сроком на пять лет. Одновременно в 2014-2019 гг. являлся председателем Совета министров региона.
9 октября 2014 г. депутаты республиканского парламента единогласно избрали Сергея Аксенова главой Крыма. В тот же день он официально вступил в должность.
10 сентября 2019 г. президент РФ Владимир Путин внес в Госсовет Крыма список кандидатов на пост руководителя республики, в состав которого вошел Сергей Аксенов (от "Единой России"). 20 сентября региональный парламент избрал его главой Крыма (за - 74 депутата). В тот же день Сергей Аксенов принял присягу.
12 сентября 2024 г. стало известно, что глава государства внес в парламент Крыма кандидатуры трех претендентов на должность руководителя республики, включая Сергея Аксенова. 12 сентября 2024 г. депутаты Госсовета Крыма единогласно (75 человек) избрали его главой республики. В тот же день он вступил в должность сроком на пять лет.
Член бюро высшего совета партии "Единая Россия" (с 2017 г.).
Входит в состав Государственного совета РФ.
Возглавлял Федерацию греко-римской борьбы Крыма.
Почетный президент Федерации спортивной борьбы Республики Крым.
Награжден орденами "За заслуги перед Отечеством" I степени (2014), Александра Невского (2021) и Дружбы (2022, Южная Осетия).
Имеет орден Дружбы (2022, Южная Осетия).
Почетный гражданин Республики Крым (2015).