Родился 8 апреля 1992 г. в пос. Междуреченский (Тюменская область).
Сергей Устюгов начал заниматься лыжным спортом и биатлоном в 2001 г. в родном поселке под руководством тренера Ивана Брагина. В подростковом возрасте сосредоточился на выступлениях в лыжных гонках, его наставником стал Валерий Сивков.
Во второй половине 2000-х гг. Сергей Устюгов регулярно занимал призовые места на российских юниорских соревнованиях.
В 2011 г. в Отепя (Эстония) на юниорском чемпионате мира выиграл спринтерскую гонку, а также завоевал серебро в эстафете. В том же году дебютировал на Кубке мира по лыжным гонкам. В 2012 г. на юниорском ЧМ в Эрзуруме (Турция) получил четыре золота: в спринте, гонке на 10 км классическим стилем, скиатлоне и эстафете. В 2013 г. в г. Либерец на молодежном первенстве мира занял первые места в гонке на 15 км свободным стилем и скиатлоне. В 2014 г. в Валь-ди-Фьемме завоевал золото в спринте, а также серебро в гонке на 15 км классическим стилем.
В 2013 г. на взрослом мировом первенстве в Валь-ди-Фьемме Сергей Устюгов занял третье место в составе российской эстафетной команды. В 2017 г. на ЧМ в Лахти завоевал золото в скиатлоне и командном спринте, а также серебро в личном спринте, масс-старте на 50 км классическим стилем и эстафете. В 2019 г. на мировом первенстве в Зефельде получил серебро в эстафете.
По итогам сезона Кубка мира 2015/2016 гг. Сергей Устюгов занял в общем зачете четвертое место. В сезоне 2016/2017 гг. стал вторым, уступив норвежцу Мартину Сундбю. В сезоне 2017/2018 гг. занял в общем зачете 12-е место, в сезоне 2018/2019 гг. - 10-е место. В сезоне 2019/2020 гг. был восьмым, в сезоне 2020/2021 гг. - 39-м.
В текущем зачете Кубка мира 2021/2022 гг. Сергей Устюгов занимает 12-е место (315 очков).
13 февраля 2022 г. на XXIV зимней Олимпиаде в Пекине (Китай) первенствовал в составе эстафетной команды (вместе с Алексеем Червоткиным, Александром Большуновым и Денисом Спицовым).
Многократный победитель и призер первенства России в различных видах программы. На внутренних соревнованиях представляет Ханты-Мансийский автономный округ - Югру.
Звания, награды
Майор Росгвардии.
Заслуженный мастер спорта РФ (2017).
Награжден орденом Дружбы (2022).
Лауреат премии Федерации спортивных журналистов России "Серебряная лань" (2017).