Родился 1 сентября 1958 г. в Херсоне.
В 1977 г. окончил Днепропетровское государственное театральное училище (ныне Днепровский театрально-художественный колледж, Украина) по специальности "артист театра кукол", после чего на протяжении нескольких месяцев работал в Херсонском театре кукол.
В 1978-1980 гг. Сергей Гармаш проходил срочную службу в рядах Советской армии.
В 1984 г. окончил актерский факультет Школы-студии им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре СССР им. М. Горького (ныне Школа-студия, институт, им. Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном театре им. А. П. Чехова). Учился в мастерской заслуженного артиста РСФСР Ивана Тарханова.
С 1984 по 2020 г. Сергей Гармаш служил в Московском театре "Современник". Был задействован в спектаклях: "Большевики" по пьесе Михаила Шатрова, "А поутру они проснулись" по произведению Василия Шукшина, "Крутой маршрут" по автобиографическому роману Евгении Гинзбург, "Кабала святош" по произведению Михаила Булгакова, "Вдова Капет" по пьесе Лиона Фейхтвангера, "Навеки - девятнадцатилетние" по произведению Григория Бакланова, "Кот домашний средней пушистости" по пьесе Владимира Войновича и Григория Горина, "Титул" по произведению Александра Галина, "Балалайкин и Ко" по роману Михаила Салтыкова-Щедрина, "Три товарища" по произведению Эриха Марии Ремарка, "Бесы" по роману Федора Достоевского, "Вишневый сад" по пьесе Антона Чехова, "Пять вечеров" по произведению Александра Володина, "Горе от ума" по пьесе Александра Грибоедова, "С наступающим..." по произведению Родиона Овчинникова, "Папа" по пьесе Флориана Зеллера.
С 2022 г. в Государственном академическом Малом театре участвует в постановке "Кроткая" по мотивам повести Федора Достоевского.
Сергей Гармаш дебютировал в кино в 1984 г., исполнив роль военнослужащего Ивана Урина в драме Алексея Симонова "Отряд". Среди наиболее известных киноработ: капитан милиции Кошаев в драме "Ворошиловский стрелок" (1999, режиссер Станислав Говорухин), майор милиции Юрий Коротков в сериале "Каменская" (2000-2005, Юрий Мороз и др.), Иван в мелодраме "Любовник" (2002, Валерий Тодоровский), старший мичман Николай Крауз в драме "72 метра" (2004, Владимир Хотиненко), чекист Толя в военной драме "Свои" (2004, Дмитрий Месхиев), присяжный Аркадий в драме "12" (2007, Никита Михалков), отец Мэлса в музыкальном фильме "Стиляги" (2008, Валерий Тодоровский), садовник Геннадий Петрович в семейной комедии "Чебурашка" (2023, Дмитрий Дьяченко). В общей сложности актер снялся в 130 фильмах и сериалах.
Сергей Гармаш участвовал в дублировании и озвучивании ряда анимационных фильмов. В их числе: "Рататуй" (2007, режиссеры Брэд Берд и Жан Пинкава, США), "Звездные собаки. Белка и Стрелка" (2010, Инна Евланникова и Святослав Ушаков), "Иван Царевич и серый волк" (2011, Владимир Торопчин), "Савва. Сердце воина" (2015, Максим Фадеев).
Член Союза кинематографистов РФ, Российской академии кинематографических искусств, Национальной академии кинематографических искусств и наук России.
В январе 2024 г. был зарегистрирован в качестве доверенного лица кандидата на пост главы государства Владимира Путина (президентские выборы пройдут в РФ в марте 2024 г.).
Народный артист РФ (2006).
Сергей Гармаш награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2019). Кавалер ордена Заслуг перед Республикой Польша (2011).
Лауреат кинопремии "Ника" в категориях "Лучшая роль второго плана" (2001 - "Нежный возраст"), "Лучшая мужская роль второго плана" (2005 - "Мой сводный брат Франкенштейн", 2018 - "Холодное танго") и "Лучшая мужская роль" (2008 - "12", 2012 - "Дом"), кинопремии "Золотой орел" в номинациях "Лучшая мужская роль в кино" (2005 - "Свои", 2008 - в составе актерского ансамбля фильма "12") и "Лучшая мужская роль второго плана" (2010 - "Стиляги").