Родился 12 августа 1925 г. в деревне Киселёво Новосильского уезда Орловской губернии РСФСР (ныне Корсаковский район Орловской области РФ). Вскоре вместе с семьей переехал в поселок Сорокино (с 1938 г. - гор. Краснодон) Ворошиловоградской области Украинской ССР (ныне в ЛНР, РФ).
В 1941 г. Сергей Тюленин окончил школу №4 (ныне Краснодонская средняя общеобразовательная школа №4 им. Героя Советского Союза С. Г. Тюленина).
После начала Великой Отечественной войны работал на шахте, принимал участие в строительстве оборонительных укреплений, занимался комсомольской работой. Во время оккупации Краснодона немецкими войсками (июль 1942 г. - февраль 1943 г.) Сергей Тюленин присоединился к городскому подполью. В сентябре 1942 г. группы подпольщиков были объединены в общую организацию, получившую название "Молодая гвардия", в которой Тюленин вошел в состав штаба. Члены организации занимались распространением антифашистких листовок, организовывали засады на представителей оккупационной администрации, проводили диверсии на предприятиях, готовились поднять восстание в Краснодоне. Сергей Тюленин лично участвовал во многих операциях, в том числе в поджоге здания немецкой трудовой биржи в городе, уничтожение документации которой спасло от насильственного вывоза на работы в Германию около 2 тыс. человек.
В начале января 1943 г. подпольная организация была раскрыта, большинство ее членов были арестованы. Сергею Тюленину удалось покинуть город, перейти линию фронта и встретиться с наступавшими советскими частями. В ходе выполнения разведывательного задания в тылу противника он был ранен, после чего вернулся в Краснодон. 27 января 1943 г. Тюленин был опознан и арестован, подвергся пыткам.
31 января 1943 г. Сергей Тюленин был казнен оккупантами вместе с другими членами "Молодой гвардии". На момент гибели ему было 17 лет. После казни его тело сбросили в шурф одной из шахт.
Две недели спустя, 14 февраля 1943 г., Краснодон был освобожден Красной армией. 13 сентября 1943 г. Сергею Тюленеву было посмертно присвоено звание Героя Советского Союза. Также он был награжден орденом Ленина (1943). Прах партизана был захоронен вместе с другими молодогвардейцами в братской могиле на центральной площади Краснодона.
Память
Деятельность "Молодой гвардии" и имена героев-подпольщиков стали широко известны благодаря одноименному роману советского писателя Александра Фадеева, опубликованному в 1946 г., а также снятому по этому произведению фильму "Молодая гвардия" (1948). Памятники Сергею Тюленину и другим молодогвардейцам установлены в Краснодоне, Луганске, Санкт-Петербурге, Москве, Ростове-на-Дону, в деревне Нечаево (Орловская область РФ) и др. Бюст партизана также был размещен на Аллее молодогвардейцев в Харькове (Украина). Несмотря на то, что в 2021 г. Аллею внесли в госреестр памятников истории местного значения, в феврале 2024 г. бюсты молодогвардейцев были демонтированы в рамках проводимой на Украине политики "декоммунизации".
Именем героя названы улицы в Орле, Великом Новгороде, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Кирове и других городах.