Родился 24 июня 1955 г. в Челябинске в семье Валентина Александровича и Людмилы Ильиничны Мирошниченко. Его отец был участником Великой Отечественной войны, вследствие ранения весной 1945 г. в возрасте 21 года полностью потерял зрение. Впоследствии он работал в Челябинском, Омском и Тульском политехническом институтах, в 1975 г. стал доктором философских наук. Мать была преподавательницей математики.
В середине 1970-х гг. Сергей Мирошниченко учился в Челябинском политехническом институте им. Ленинского комсомола (ныне Южно-Уральский государственный университет), но не окончил его. Тогда же работал осветителем на местной телестудии, ассистентом оператора челябинского корпункта Свердловской киностудии Константина Дупленского.
В 1983 г. Сергей Мирошниченко окончил в Москве режиссерский факультет Всесоюзного государственного института кинематографии (ВГИК; ныне Всероссийский государственный институт кинематографии им. С. А. Герасимова). Выпускник мастерской профессора Александра Кочеткова.
С 1984 по 1993 г. - режиссер Свердловской киностудии (Екатеринбург).
В 1993-1999 гг. работал на студии "ТРИТЭ" Никиты Михалкова.
С 1999 г. - соучредитель и художественный руководитель студии документального кино "Остров".
Первую известность Сергею Мирошниченко принесли фильмы "Госпожа тундра" об экологии Севера (1986; Гран-при Международного кинофестиваля в Оберхаузене, ФРГ - 1987) и "А прошлое кажется сном..." о последствиях сталинизма (1987; премия "Ника" в номинации "Лучший документальный фильм" - 1989).
В 1990 г. режиссер начал масштабный проект "Рожденные в СССР", в котором прослеживает судьбы детей из разных республик и различных социальных слоев, исследует изменение их психологии в условиях меняющегося мира. К настоящему времени в его рамках вышло четыре фильма: "Семилетние" (1990), "Четырнадцатилетние" (1998), "21 год" (2007; премия "Ника" в категории "Лучший неигровой фильм" - 2008) и "28 лет" (2012). Пятый фильм проекта находится в производстве.
В 1995 г. Сергей Мирошниченко выпустил документальный фильм "Убийство императора. Версии". Картина, посвященная трагедии династии Романовых, в 1996 г. была удостоена премии "Ника" в номинации "Лучший неигровой фильм".
Известность получили киноленты Мирошниченко, снятые в жанре фильма-портрета: "Александр Солженицын. Жизнь не по лжи" (2001), "Александр Солженицын. На последнем плесе" (2003), "Александр Солженицын. Слово" (2008), "Георгий Жженов. Русский крест" (2002-2005; премия ТЭФИ в категории "Телевизионный документальный фильм/сериал" - 2003), "Юз, джаз, Ирка и пес" о литераторе Юзе Алешковском (2005), "Валерий Гергиев. Сумерки богов" (2009), "Илья Глазунов. За стойкость при поражении" (2010), "Река жизни. Валентин Распутин" (2011; премия ТЭФИ в номинациях "Телевизионный документальный фильм" и "Режиссер телевизионного документального фильма/сериала" - 2012).
Автор документальных картин о XXII зимней Олимпиаде 2014 г. в Сочи (Краснодарский край) - "Философия мягкого пути" (2014, о подготовке Игр) и "Кольца мира" (2015, официальный фильм Олимпиады, снятый по заказу МОК).
Последняя к настоящему времени лента режиссера - "Дно" (2017) - повествует о падении монархии в России.
Сергей Мирошниченко является автором и соавтором сценариев большинства своих фильмов.
С 1998 г. - руководитель мастерской режиссуры неигрового фильма во Всероссийском государственном институте кинематографии им. С. А. Герасимова. Профессор.
Президент международного кинофестиваля "Предчувствие" (проводится в Челябинске с 2018 г.).
Куратор документальных программ Московского международного кинофестиваля.
Член Совета при президенте РФ по культуре и искусству. Ранее входил в общественный совет при Министерстве культуры России.
Член Союза кинематографистов РФ, Российской академии кинематографических искусств, Национальной академии кинематографических искусств и наук России.
В 2018 г. являлся доверенным лицом кандидата на пост президента РФ Владимира Путина.
Заcлуженный деятель искусств РФ (1993).
Награжден орденом Почета (2020).
Лауреат Государственной премии РСФСР им. братьев Васильевых 1989 г., Государственной премии РФ в области литературы и искусства 2012 г.
Женат. Супруга - Наталья Мирошниченко. Дочери - Мария Миро (род. 1985) и Ангелина Голикова (род. 1986) - выпускницы ВГИКа.