Родился 12 мая 1980 г. в Москве. Его отец - протоиерей Александр Шаргунов - священник, настоятель храма Святителя Николая в Пыжах в Москве, преподаватель Московской духовной академии Русской православной церкви Московского патриархата; мать - Анна Шаргунова - художник и литератор.
В 2002 г. окончил факультет журналистики Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова по специальности "журналист-международник".
Во время учебы в университете был помощником депутата Государственной думы РФ от КПРФ Татьяны Астраханкиной, в 1998-1999 гг. работал в комиссии Госдумы по расследованию событий сентября-октября 1993 г. в Москве, которую возглавляла Астраханкина. Затем был помощником депутата Госдумы от партии "Яблоко", журналиста Юрия Щекочихина.
В возрасте 19 лет начал сотрудничать с журналом "Новый мир", где печатал прозаические произведения и критические статьи. Впоследствии публиковался в других литературных журналах.
В 2002-2003 гг. работал специальным корреспондентом в отделе расследований "Новой газеты" вместе с Юрием Щекочихиным.
В 2003-2007 гг. был обозревателем в "Независимой газете", где вел проект "Свежая кровь" (в нем печатались работы молодых писателей). Также в этот период публиковал свои статьи в газете "Завтра" (вел блог "Шаргуновости") и в сетевом издании "Русский журнал".
В 2004 г. стал сооснователем молодежного движения "Ура!", которое сотрудничало с партией "Родина" (председатель - Дмитрий Рогозин). В 2005 г. Сергей Шаргунов возглавил молодежное крыло партии (Союз молодежи "За Родину!"), сменив Олега Бондаренко. Был организатором ряда уличных политических акций (против принятия закона о "монетизации льгот", против визита в Москву президента Латвии, в защиту предпринимателей от бюрократии и др.). Был членом партии "Родина".
В 2006 г. "Родина", Российская партия пенсионеров и Российская партия жизни объединились в партию "Справедливая Россия" (лидер - Сергей Миронов). На основе Союза молодежи "За Родину!" было образовано молодежное крыло новой партии, получившее название "Ура!". Шаргунов стал его руководителем.
С 2006 г. состоял в "Справедливой России". В сентябре 2007 г. был выдвинут в депутаты Государственной думы РФ V созыва в составе федерального списка партии. Был включен третьим номером в общую часть списка после Сергея Миронова и Светланы Горячевой. Однако в октябре того же года был исключен из числа кандидатов. По словам секретаря президиума "Справедливой России" Александра Бабакова, Шаргунов "не справился с ответственностью, возложенной на него партией". По сообщениям СМИ, причиной могли послужить негативные высказывания журналиста в адрес официальных российских властей, высказанных им ранее в статьях и публикациях. После этого Сергей Шаргунов покинул ряды "Справедливой России".
С 2008 г. публиковал статьи и заметки в таких изданиях, как "Московский комсомолец", "Русский репортер", "Эксперт", "Сноб", "Известия" и др.
В 2008 г. в качестве журналиста находился в зоне боевых действий во время конфликта в Южной Осетии.
С 2012 г. по настоящее время является главным редактором общественно-политического интернет-издания "Свободная пресса".
С 2013 г. - колумнист радиостанции "Коммерсант FM". Также ведет блог на сайте радиостанции "Эхо Москвы".
С сентября 2015 г. по май 2016 г. был ведущим общественно-политического ток-шоу "Процесс" на телеканале "Звезда".
В 2014-2016 гг. посещал Донбасс и Сирию в качестве журналиста для освещения военных действий.
В 2016-2021 гг. – депутат Государственной думы РФ VII созыва. 18 сентября 2016 г. был избран в Госдуму по списку КПРФ (первый номер в региональной группе №2, Республики Алтай, Бурятия и Тыва, Алтайский край). Баллотировался также по Коркинскому одномандатному избирательному округу №191 Челябинской области. В округе занял третье место, набрав 7,89% голосов, после Анатолия Литовченко от "Единой России" (37,73%) и Валерия Гартунга от "Справедливой России" (34,51%). В нижней палате парламента вошел в состав партийной фракции, при этом членом КПРФ не является. С 24 января 2019 г. - заместитель председателя комитета ГД по культуре.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. от партии КПРФ по федеральному округу. Был выдвинут под 11-м номером общефедеральной части списка кандидатов от партии, однако после исключения из нее Павла Грудинина фактически баллотировался под десятым номером. С 12 октября 2021 г. - первый заместитель председателя комитета Госдумы РФ по культуре.
Сопредседатель правления Союза писателей России (с февраля 2018 г.).
Председатель Ассоциации союзов писателей и издателей России.
Входит в Общество русской словесности и Патриарший совет по культуре.
Член совета Российского фонда культуры.
В мае 2019 г. был назначен главным редактором литературно-художественного журнала "Юность".
Имеет благодарность правительства РФ (2019).
Отмечен премией правительства РФ в области культуры за 2018 г. (за художественно-биографическое издание "Катаев. Погоня за вечной весной").
Лауреат ряда литературных премий: Всероссийская литературная премия "Дебют" (за повесть "Малыш наказан", 2001), государственная премия Москвы в области литературы и искусства (2003), премия "Эврика" (2005), премия "Аркобалено" (Италия, 2013), Международная литературная премия "Москва-Пенне" (2014), Горьковская литературная премия (2015), Всероссийская историко-литературная премия "Александр Невский" (2016) и др.
Автор книг "Ура!" (2003), "Как меня зовут?" (2006), "Битва за воздух свободы" (2008), "Птичий грипп" (2008), "Книга без фотографий" (2011), "1993. Семейный портрет на фоне горящего дома" (2013), "Катаев. Погоня за вечной весной" (2016) и др. Его книги переведены на итальянский, английский и французский языки.