Окончил Ленинградскую физико-математическую школу № 239 (1971), Ленинградский политехнический институт (1978) по специальности «электрические аппараты».
С 1979 на протяжении десяти лет работал во Всесоюзном НИИ радиоаппаратуры (Ленинград) старшим инженером, а затем начальником научно-исследовательской лаборатории. Занимался разработкой и внедрением систем управления воздушным движением и посадки; был ответственным исполнителем по созданию автоматизированного комплекса технического управления и контроля системы посадки космических кораблей многоразового использования. В 1988 участвовал в обеспечении автоматической посадки космического корабля «Буран». В 1987 командировался на Кубу для работы по внедрению системы управления воздушным движением Республики Куба.
В 1989—1991 — исполнительный директор предприятия «Техноэксан», специализирующегося на экспорте высоких технологий и наукоемкого оборудования. В 1991—1996 — генеральный директор научно-производственного предприятия «ТЭМП», осуществлявшего разработку и внедрение высоких технологий в сфере экологии и защиты окружающей среды.
В 1996 г. Сергей Фурсенко с братом Андреем и В. В. Путиным учреждает дачный кооператив «Озеро». В 1997—1998 — заместитель генерального директора ОАО «Ленэнерго».
В 1998—2002 — генеральный директор ЗАО "Телевизионное объединение «Продюсерский центр „ШКОЛА“»". Руководил ООО «Мастерская Игоря Шадхана». Был продюсером документального сериала «Тайны затонувших кораблей», который посвящён судам, нашедшим вечное пристанище на дне Балтийского моря. Министерство культуры предоставило проекту статус «Российского национального фильма», а спонсором являлся «Газпром».
В 2003 — заместитель начальника Департамента по транспортировке, подземному хранению и использованию газа ОАО «Газпром». С июля 2003 по 2008 — генеральный директор ООО «Лентрансгаз», дочернего предприятия ОАО «Газпром».
С декабря 2005, одновременно, председатель совета директоров футбольного клуба «Зенит», контрольный пакет акций которого принадлежит «Газпрому». В январе 2006 пост председателя совета директоров клуба был упразднён, и Сергей Фурсенко стал президентом ФК «Зенит». Оставался в этой должности до весны 2008 года.
11 декабря 2009 года от Федерации футбола Санкт-Петербурга выдвинут кандидатом на пост президента РФС.
Автор десяти изобретений и ряда научных публикаций в авторитетных российских научно-технических журналах.
Почётный консул Республики Бангладеш в Санкт-Петербурге.
С 3 февраля 2010 года — президент Российского футбольного союза. Находясь на этой должности, активно лоббировал переход чемпионата России по футболу на европейскую систему «осень-весна» уже с 2011 года.