Родился 9 ноября 1964 г. в гор. Воркуте (Коми АССР, ныне Республика Коми) в семье машиниста.
В 1987 г. окончил Московский институт инженеров железнодорожного транспорта (ныне Российский университет транспорта - МИИТ) по специальности "тепловозы и тепловозное хозяйство". Впоследствии получил дополнительное образование в Ярославском государственном университете им. П. Г. Демидова (1998), Академии народного хозяйства при правительстве РФ (2008, Москва, ныне Российская академия народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ) и в Российской академии путей сообщения (Москва, 2011).
В 1982 г. после школы начал работать слесарем в локомотивном депо Воркута Северной железной дороги. Окончив вуз, вернулся в депо на должность мастера цеха. В 1992-1994 гг. был главным инженером, а в 1994-1997 гг. - начальником локомотивного депо.
В 1997 г. Сергей Черногаев перешел в руководящие органы Северной железной дороги на должность заместителя начальника службы локомотивного хозяйства. В 1999-2002 гг. был начальником службы управления персоналом, в 2003-2005 гг. - начальником службы локомотивного хозяйства. В июне - декабре 2005 г. являлся и. о. заместителя начальника Северной железной дороги.
В 2006 г. перешел на работу в Российский профессиональный союз железнодорожников и транспортных строителей (Роспрофжел). В 2006-2010 гг. был председателем организации на Северной железной дороге, затем в 2010-2012 гг. занимал пост первого заместителя председателя Роспрофжела.
В 2012 г. вернулся в ОАО "РЖД" на пост заместителя начальника Московской железной дороги по кадрам и социальным вопросам. В 2017-2020 гг. возглавлял в РЖД департамент социального развития.
В 2020-2021 гг. - первый заместитель председателя Росфпрофжела. 25 марта 2021 г. был избран председателем этого профсоюза.
5 апреля 2024 г. Сергей Черногаев был избран заместителем председателя Федерации независимых профсоюзов России (ФНПР).
С 29 октября 2024 г. - председатель ФНПР, сменил на этом посту Михаила Шмакова, избранного на должность президента организации.
Член Совета при президенте РФ по развитию гражданского общества и правам человека (СПЧ) с 2024 г.
Награжден знаком "Почетный железнодорожник" (2014).