Родился 18 октября 1965 г. в д. Скорняково Великоустюгского района Вологодской обл. РСФСР (ныне РФ) в рабочей семье. Отец - Анатолий Ефимович Преминин, электрик. Мать - Валентина Егоровна Преминина, работала отбельщицей тканей на Красавинском льнокомбинате.
Сергей Преминин окончил восемь классов школы в г. Красавино (Вологодская обл.) и городское профессионально-техническое училище №4 Речного флота СССР в г. Великий Устюг (также в Вологодской обл.).
В октябре 1984 г. был призван в Военно-морской флот (ВМФ) СССР, направлен на Северный флот. В 1984-1985 гг. - во 2-м учебном отряде подводного плавания (Северодвинск, Архангельская область), в 1985 г. был зачислен специальным трюмным машинистом в экипаж субмарины К-241 19-й дивизии 3-й флотилии атомных подводных лодок (ЗАТО Скалистый, ныне г. Гаджиево в составе ЗАТО Александровск, Мурманская обл.) и в том же году переведен в экипаж атомного ракетоносца стратегического назначения К-219 (проект 667АУ "Налим"; разработчик - ЦКБ-18, ныне Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин", Санкт-Петербург).
В сентябре 1986 г. Сергей Преминин в составе экипажа К-219 под командованием капитана второго ранга Игоря Британова вышел на боевое дежурство в Атлантический океан.
3 октября 1986 г. К-219 находилась в 600 милях (около 1,1 тыс. км) северо-восточнее Бермудских островов. В подводном положении при проведении маневра произошел взрыв в ракетной шахте №6. Причиной стала неисправность клапана и попытки командира боевой части устранить поступление воды в шахту нештатными способами, что привело к утечке ракетного топлива. Крышку шахты сорвало, в отсеке возник пожар. Лодка всплыла, огонь был потушен. Из-за отравления парами топлива и продуктами горения погибли трое подводников - капитан третьего ранга Александр Петрачков, матросы Николай Смаглюк и Игорь Харченко. За взрывом последовала неполадка охлаждающей системы реактора правого борта, возникла угроза расплавления активной зоны энергоблока. Сработала аварийная защита реактора, но компенсирующие решетки не дошли до нижнего положения. Вместе со старшим лейтенантом Николаем Беликовым Сергей Преминин, рискуя жизнью, опустил их вручную и заглушил реактор, ликвидировав опасность его разрушения и радиационной катастрофы. В результате допущенных офицерами грубых ошибок Преминин не смог покинуть реакторный отсек (из-за высокой температуры заклинило люк) и погиб. 6 октября, потеряв плавучесть из-за поступления воды через разрушенную шахту, подлодка затонула на глубине 5,5 тыс. м. Экипаж эвакуировался на подошедшее с Кубы советское спасательное судно "Агатан". Всего в результате ЧП погибли четверо. В живых остались 115 моряков.
Причинами катастрофы расследовавшая ее государственная комиссия назвала "сокрытие аварийной ситуации, проведение нештатных операций, слабое знание личным составом материальной части, неисполнительность и низкую подготовку по борьбе за живучесть корабля". Командир корабля Игорь Британов, командир электромеханической боевой части капитан второго ранга Игорь Красильников и замполит экипажа капитан третьего ранга Юрий Сергеенко были уволены по статье "служебное несоответствие". Уголовное дело против Британова прекратили с учетом полного раскаяния обвиняемого. Субмарина не была поднята.
7 августа 1997 г. Сергею Преминину было присвоено звание Героя Российской Федерации (посмертно). Награжден орденом Красной Звезды (23 июля 1987 г., посмертно).
Почетный гражданин г. Гаджиево (2002, посмертно).