Родился 20 августа 1952 г. в гор. Черемхово Иркутской области.
В 1975 г. окончил Иркутский институт народного хозяйства (ныне Байкальский государственный университет). Также окончил Высшие курсы Военной академии Генерального штаба Вооруженных сил РФ.
Доктор экономических наук. Действительный член Академии военных наук РФ.
В 1975-1976 гг. работал в Иркутском научно-исследовательском институте редких и цветных металлов, поступил в аспирантуру Ленинградского финансового института, но затем был зачислен в органы государственной безопасности.
С 1980 по 1988 г. работал в научно-производственном объединении "Луч" (специализировалось в области ядерной энергетики), с 1983 г. возглавлял представительство объединения в г. Дрезден Германской Демократической Республики (ГДР). В эти годы познакомился с Владимиром Путиным, который работал в представительстве КГБ в Дрездене и жил с Чемезовым в одном доме.
В 1989-1996 гг. - заместитель генерального директора внешнеторгового объединения "Совинтерспорт".
С августа 1996 г. по сентябрь 1999 г. занимал должность начальника отдела внешних экономических связей Управления делами президента РФ, до марта 1997 г. работал под непосредственным руководством замуправделами Владимира Путина, курировавшего зарубежную собственность ведомства.
В 1999-2000 гг. - генеральный директор федерального государственного унитарного предприятия (ФГУП) "Промэкспорт" (с 2000 г. вошло в состав нового ФГУП "Рособоронэкспорт"). Сменил на этом посту Вячеслава Филимонова.
В 2000-2004 гг. - первый заместитель генерального директора ФГУП "Рособоронэкспорт" Андрея Бельянинова.
В 2004-2007 гг. - генеральный директор ФГУП "Рособоронэкспорт".
С 26 ноября 2007 г. по н. в. - генеральный директор Государственной корпорации по содействию разработке, производству и экспорту высокотехнологичной промышленной продукции "Ростехнологии" (с июля 2014 г. - Ростех). В состав госкорпорации, помимо сотен других компаний, был включен "Рособоронэкспорт".
Заведующий кафедрой международного военно-технического сотрудничества и высоких технологий факультета Международных экономических отношений МГИМО (У) МИД России.
С 10 сентября 2014 г. - член Военно-промышленной комиссии РФ. С 2022 г. - член совета Российской академии наук по исследованиям в области обороны.
С 2013 г. - представитель России в Деловом совете БРИКС.
2 декабря 2006 г. на VII съезде Всероссийской политической партии "Единая Россия" избран в бюро высшего совета партии (переизбран в 2012, 2017 и 2021 гг.).
С 28 апреля 2007 г. - председатель Общероссийской общественной организации "Союз машиностроителей России".
В 2005-2013 гг. - председатель совета директоров открытого акционерного общества (ОАО) "Объединенная промышленная корпорация "Оборонпром".
Является председателем попечительского совета Российского экономического университета им. Г. В. Плеханова и Российского национального исследовательского медицинского университета им. Н. И. Пирогова.
Общая сумма декларированного годового дохода за 2021 г. составила 632,2 млн руб., у супруги - 6,8 млрд руб.
В 2014-2015 гг. был внесен в санкционные списки США, Евросоюза, Канады, с 2022 г. - Великобритании и Японии.
Генерал-полковник.
Действительный государственный советник РФ 2-го класса (1997).
Полный кавалер ордена "За заслуги перед Отечеством" (2017, 2012, 2007, 2005). Награжден орденами Почета (2002) и Дружбы (2009).
Также имеет ордена Почетного легиона (Франция; 2010) и "За заслуги перед Итальянской Республикой" (Италия; 2010).
Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники 2004 года. Отмечен благодарностью правительства РФ (2016).
Автор книги "Военно-техническое сотрудничество России с иностранными государствами: опыт организационного проектирования" (2001).