Родился 2 ноября 1953 г. в г. Новосибирске.
В 1976 г. окончил факультет промышленно-гражданского строительства Новосибирского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева (ныне Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет), в 1993 г. - факультет экономики и управления Российской академии управления при правительстве РФ (ныне в составе Российской академии народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ) по специальности "менеджмент".
С 1976 г. работал в красноярском строительно-монтажном управлении (СМУ) треста "Сибстальконструкция": мастером, прорабом, начальником участка. Участвовал в строительстве Красноярского алюминиевого завода.
С 1982 по 1987 г. - начальник ангарского строительно-монтажного управления треста "Красноярскстальконструкция" (г. Ангарск, Иркутская область).
Избирался депутатом Юго-Западного районного совета народных депутатов г. Ангарска, Ангарского городского совета народных депутатов. В 1987 г. был избран председателем Юго-Западного районного исполнительного комитета.
С 1988 г. - второй секретарь, с 1990 г. - первый секретарь ангарского городского комитета КПСС.
В 1991 г. вновь занял должность начальника ангарского строительно-монтажного управления. В 1998-1999 гг. был генеральным директором ЗАО "Стальконструкция", образованного путем реорганизации СМУ.
С 1993 г. по н. в. - первый секретарь иркутского областного отделения КПРФ.
Член ЦК КПРФ.
В 1994 г. был избран депутатом Законодательного собрания Иркутской области I созыва.
27 июля 1997 г. баллотировался на пост губернатора Иркутской области. Был выдвинут региональным отделением Народно-патриотического союза России. На выборах занял второе место (18,82%), уступив мэру Иркутска Борису Говорину (50,32%), который баллотировался от группы избирателей.
В 1999-2001 гг. - депутат Государственной думы РФ III созыва. Был избран 19 декабря 1999 г. по федеральному списку партии КПРФ (третий номер в Восточно-Сибирской региональной группе). В Думе входил во фракцию КПРФ, Агропромышленную депутатскую группу, являлся членом комитета ГД по энергетике, транспорту и связи.
29 июля 2001 г. принял участие в выборах губернатора Иркутской области. Набрал 23,93% голосов и вышел во второй тур с действующим главой области Борисом Говориным (45,05%). Оба кандидата были выдвинуты избирателями. 19 августа 2001 г. уступил победу Говорину с результатом 45,26% против 47,63%.
10 октября 2004 г. стал депутатом Законодательного собрания Иркутской области IV созыва (избран по областному партийному списку КПРФ). Возглавил парламентскую комиссию по контрольной деятельности.
В 2007-2015 гг. - депутат Государственной думы РФ V и VI созывов, член фракции КПРФ.
2 декабря 2007 г. был избран депутатом Госдумы РФ V созыва по списку КПРФ. На выборах возглавлял региональную группу №42 (Иркутская область, Усть-Ордынский Бурятский автономный округ). В Думе входил в комитет по энергетике.
4 декабря 2011 г. избран депутатом Государственной думы VI созыва по федеральному списку КПРФ (возглавлял региональную группу №39, Иркутская область). В нижней палате парламента занимал должность заместителя председателя комитета по энергетике, входил в состав комиссии Госдумы по строительству зданий и сооружений, предназначенных для размещения Парламентского центра. Депутатские полномочия были прекращены досрочно 13 октября 2015 г.
С 2015 по 2019 г. - губернатор Иркутской области.
Сергей Левченко участвовал в выборах как кандидат от КПРФ. 13 сентября 2015 г. получил 36,61% голосов избирателей и вышел во второй тур вместе с врио главы области Сергеем Ерощенко от "Единой России", который набрал 49,60%. 27 сентября 2015 г. по итогам повторного голосования (состоялось в РФ впервые после возвращения прямых выборов глав регионов) получил 56,39% голосов избирателей, опередив Сергея Ерощенко (41,46%) почти на 5%. 2 октября 2015 г. Сергей Левченко официально вступил в должность губернатора Иркутской области.
18 сентября 2016 г. был избран депутатом Госдумы РФ VII созыва по списку партии КПРФ. Баллотировался под первым номером в региональной группе №21 (Иркутская область). После выборов от депутатского мандата отказался.
В декабре 2018 г. Генпрокуратура РФ возбудила уголовное дело по факту незаконной охоты на медведя. Оно было открыто после прокурорской проверки, поводом для которой послужило видео, выложенное в сентября 2018 г. на YouTube. На видео Сергей Левченко выстрелом из ружья убивает спящего в берлоге медведя. Следствие сообщило, что начало проверку причастности губернатора к незаконной охоте. Впоследствии о завершении расследования не сообщалось.
В июле 2019 г. президент РФ Владимир Путин раскритиковал деятельность областной администрации во главе с Сергеем Левченко из-за неудовлетворительной работы по устранению последствий масштабного паводка, в результате которого в зоне бедствия оказались 109 населенных пунктов, в которых было подтоплено 11 тыс. жилых домов. Погибли 26 человек. С жалобами к главе государства обратились жители пострадавших районов, которые сообщили о проблемах с выплатами компенсации за утраченное жилье, восстановлением документов и распределением гуманитарной помощи. 2 сентября во время посещения области Владимир Путин вновь подверг критике работу региональных властей по ликвидации последствий паводка.
12 декабря 2019 г. президент России Владимир Путин принял отставку Сергея Левченко с поста губернатора Иркутской области и назначил врио главы региона Игоря Кобзева, занимавшего ранее пост заместителя главы МЧС России.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. по списку партии КПРФ. На выборах возглавлял региональную группу №11 (Республика Саха (Якутия), Магаданская, Иркутская обл.) федерального списка кандидатов от партии. С 12 октября 2021 г. - первый заместитель председателя комитета Госдумы по энергетике.
Подполковник запаса.
Отмечен благодарностью президента РФ (2014).
Кандидат в мастера спорта по легкой атлетике.