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 треста "Сибстальконструкция": мастером, прорабом, начальником участка. Участвовал в строительстве Красноярского алюминиевого завода.
С 1982 по 1987 г. - начальник Ангарского строительно-монтажного управления (СМУ) 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 Ангарска.
С 1988 г. - второй, 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 Ангарского СМУ.
С 1993 г. - первый секретарь Иркутского областного отделения 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. 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 по энергетике, транспорту и связи.
29 июля 2001 г. принял участие в выборах губернатора Иркутской области. По итогам голосования 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. проиграл выборы Говорину с результатом 45,26% против 47,63%.
10 октября 2004 г. стал депутатом Законодательного собрания Иркутской области IV созыва (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 партии 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 г. по 2019 г. - губернатор Иркутской области.
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, в которой принимал участие Сергей Левченко. Дело было открыто после прокурорской проверки, поводом для которой послужило видео на Youtube ("Ютьюб"), где губернатор выстрелом из ружья убивает спящего в берлоге медведя.
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 прежде 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.
Член президиума ЦК КПРФ (до апреля 2021 г.), первый секретарь Иркутского областного комитета партии.
Подполковник запаса.
Отмечен благодарностью президента РФ (2014).
Сергей Левченко является кандидатом в мастера спорта по легкой атлетике.