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 фирм "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 декабре 2009 г. 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 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 (за проголосовали 53 депутата из 61).
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 республики.
16 марта 2014 г. на общекрымском референдуме о статусе полуострова 96,77% жителей Крыма высказались за воссоединение с Россией.
18 марта 2014 г. Сергей Аксенов вместе с президентом РФ Владимиром Путиным, председателем Госсовета Крыма Владимиром Константиновым и главой Севастополя Алексеем Чалым участвовал в подписании Договора о принятии Республики Крым и г. Севастополя в состав Российской Федерации. В тот же день 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.
Принятая 11 апреля 2014 г. конституция Республики Крым установила, что высшим должностным лицом и руководителем исполнительной власти региона является глава республики. 14 апреля того же года указом президента РФ Владимира Путина Сергей Аксенов был назначен временно исполняющим обязанности главы Крыма.
17 сентября 2014 г. президент России внес на рассмотрение Государственного совета республики фамилии трех кандидатов на должность главы региона. Вместе с врио главы Крыма Сергеем Аксеновым в список претендентов вошли министр экологии и природных ресурсов республики Геннадий Нараев и депутат Госдумы РФ Александр Терентьев.
9 октября 2014 г. депутаты республиканского парламента единогласно избрали Сергея Аксенова главой Крыма. В тот же день он официально вступил в должность. Одновременно в 2014-2019 гг. являлся председателем Совета министров региона.
10 сентября 2019 г. глава государства внес в Госсовет Крыма кандидатуры на пост главы республики: действующего руководителя Крыма Сергея Аксенова, первого секретаря крымского комитета КПРФ Сергея Богатыренко и депутата Госдумы РФ Павла Шперова.
20 сентября 2019 г. депутаты республиканского парламента вновь избрали Сергея Аксенова главой Крыма. За его кандидатуру проголосовали все присутствующие на заседании парламентарии (74). В тот же день он принес присягу.
Член бюро высшего совета партии "Единая Россия" (с января 2017 г.).
Почетный президент Федерации спортивной борьбы Республики Крым. С 2010 г. возглавлял Федерацию греко-римской борьбы Крыма.
Награжден орденами "За заслуги перед Отечеством" I степени (2014), Александра Невского (2021), медалью Министерства обороны РФ "За возвращение Крыма" (2014). Удостоен ордена Дружбы (2022, Южная Осетия).
Почетный гражданин Республики Крым (2015).