Сергей Чемезов родился 20 августа 1952 года в городе Черемхово Иркутской области.
В 1975 году окончил с отличием Иркутский институт народного хозяйства, затем — Высшие курсы академии Генштаба, выходцы из которых отправлялись на работу во внешнюю разведку. Доктор экономических наук.
Работал инженером, научным сотрудником, заместителем заведующего лабораторией в Иркутском НИИ редких и цветных металлов. С 1980 году работал в экспериментально-промышленном объединении «Луч», с 1983 по 1988 год возглавлял представительство объединения «Луч» в ГДР, где познакомился с Владимиром Путиным. Сообщалось, что Чемезов и Путин работали в ГДР по линии КГБ, жили в одном доме и сдружились.
С 1988 по 1996 год — заместитель генерального директора внешнеторгового объединения «Совинтерспорт». В 1996-1999 годах работал начальником отдела внешних экономических связей Управления делами Президента РФ (под руководством В.Путина), позже — начальником Управления внешнеэкономических связей Администрации Президента России.
С сентября 1999 года по ноябрь 2000 года — генеральный директор ФГУП «Государственная компания Промэкспорт». С августа 2000 года является членом Комиссии при Президенте РФ по вопросам военно-технического сотрудничества РФ с иностранными государствами.
С ноября 2000 года по апрель 2004 года — первый заместитель генерального директора ФГУП «Рособоронэкспорт».
Член Советов директоров:
Председатель Советов директоров:
2 декабря 2006 года на VII съезде Всероссийской политической партии «Единая Россия» был избран в Бюро Высшего совета партии.
Женат. Жена — Екатерина Игнатова, по образованию инженер-экономист, соучредитель и владелец 70 % компании по разработке и производству автоматических коробок передач ООО «Кате», также является основной владелицей (совместно с управляющим директором «Тройки Диалог» Гором Нахапетяном) сети ресторанов «Этаж» (19 заведений в Москве).
У Сергея Чемезова четверо детей. Старший сын Станислав (род. 1973[уточнить]) по данным на май 2009 года, работал в компании «Итера», на 2010 год владел долей в «И. А.Д. бизнес-индустрия», компанией «Русские промышленные нанотехнологии», долями в строительных компаниях, а также входил в совет директоров компании «АвтоВАЗ энерго». На май 2009 года средний сын был студентом медицинского института, младший пошёл в школу, а дочь заканчивала МГИМО.