Родился 17 июля 1957 г. в городе Новая Ляля Свердловской области.
В 1980 г. с отличием окончил Московский авиационный институт (МАИ) по специальности "механическое оборудование летательных аппаратов", получив квалификацию инженера-механика.
Доктор технических наук.
После окончания МАИ, в 1980-1981 гг. работал инженером в головном конструкторском бюро НПО "Энергия" (ныне Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С. П. Королёва) в подмосковном г. Калининграде (ныне Королёв).
В 1981-1983 гг. проходил срочную военную службу в рядах Вооруженных сил СССР.
После службы в армии вернулся в НПО "Энергия". С 1983 по 2003 г. последовательно занимал должности инженера, старшего инженера, ведущего инженера, начальника сектора, начальника отделения, заместителя руководителя научно-технического центра - начальника отделения.
В 2003 г. Сергей Романов был назначен заместителем генерального конструктора, руководителем научно-технического центра РКК "Энергия".
С июля 2012 г. по декабрь 2014 г. был первым заместителем генконструктора, руководителем офиса управления проектами корпорации.
Одновременно с марта 2014 г. по октябрь 2015 г. являлся генеральным директором Завода экспериментального машиностроения РКК "Энергия".
С декабря 2014 г. по декабрь 2016 г. - генеральный конструктор пилотируемых космических комплексов РКК "Энергия".
С декабря 2016 г. по 2018 г. - первый заместитель генерального конструктора - главный конструктор пилотируемых космических комплексов корпорации. Также был заместителем председателя Государственной комиссии по проведению летных испытаний пилотируемых космических комплексов, техническим руководителем по летным испытаниям пилотируемых космических комплексов.
В 2018-2019 гг. Сергей Романов возглавлял Ракетно-космическую корпорацию "Энергия" им. С. П. Королева. 4 августа 2018 г. он был назначен врио генерального директора, после ухода Владимира Солнцева (возглавлял предприятие в 2014-2018 гг.). 12 сентября 2018 г. решением собрания акционеров Романов был назначен на должность гендиректора РКК "Энергия" на постоянной основе. 24 января 2019 г. совет директоров корпорации принял решение о приостановлении его полномочий на посту главы предприятия.
После смещения с должности главы РКК "Энергия" Сергей Романов остался работать на предприятии. С января 2019 г. по январь 2020 г. являлся первым заместителем гендиректора Николая Севастьянова. Затем занимал должность заместителя генерального директора РКК "Энергия" Игоря Озара, главного конструктора по пилотируемым космическим комплексам в рамках программы Международной космической станции (МКС).
В апреле 2025 г. снова был назначен генеральным директором РКК "Энергия", сменив Игоря Озара. 18 апреля пресс-служба РКК "Энергия" сообщила, что совет директоров предприятия утвердил Сергея Романова генеральным директором (с ним был заключен срочный договор, действующий до даты назначения гендиректора в установленном порядке). Проработал в этой должности немногим более месяца. 23 мая 2025 г. стало известно, что совет директоров РКК "Энергия" принял решение о назначении гендиректором предприятия Игоря Мальцева.
Сергей Романов принимал непосредственное участие в создании систем жизнеобеспечения и терморегулирования на орбитальных станциях "Салют-7" и "Мир", орбитальном корабле "Буран". Руководил разработкой систем жизнеобеспечения и теплового режима пилотируемых космических кораблей типа "Союз" и грузовых "Прогресс", модулей "Рассвет", "Поиск" и многоцелевого лабораторного модуля МКС, а также автоматических космических аппаратов.
Награжден орденами Дружбы (2016), Александра Невского (2022), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2001). Имеет благодарность правительства РФ (2017).
Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники (2002, 2010).