Родился 14 февраля 1953 г. в г. Пушкине (Ленинград, ныне Санкт-Петербург).
Учился в Индустриальном техникуме (направление - "Геофизические методы поиска и разведки полезных ископаемых"). В 1980 г. окончил геофизическое отделение Ленинградского горного института (ныне Санкт-Петербургский горный университет), в 1992 г. - факультет внешнеэкономической деятельности Санкт-Петербургского государственного технического университета, в 1997 г. - северо-западный филиал Российской академии государственной службы при президенте РФ, в 1998 г. - юридический, а в 2004 г. - философский факультеты Санкт-Петербургского государственного университета.
В 1971–1973 гг. проходил срочную военную службу в Воздушно-десантных войсках. Был уволен в запас в звании гвардии старшего сержанта ВДВ.
После службы в армии работал мастером производственного обучения в Пушкинском Высшем командном училище радиоэлектроники ПВО (впоследствии - Военный институт систем и средств обеспечения войск Военной инженерно-космической академии им. А. Ф. Можайского). Параллельно учился в вечерней школе.
Во время учебы в вузе в 1976–1978 гг. работал старшим лаборантом кафедры геохимии Горного института.
Состоял в штате НПО "Рудгеофизика" (впоследствии - ФГУНПП "Геологоразведка"), занимался разведкой уранового сырья. С 1978 г. был старшим инженером-геофизиком "Рудгеофизики", затем геофизиком Зеленогорской экспедиции Министерства геологии СССР.
В 1986–1991 гг. - старший геофизик аэропартии (аэрогеофизическая разведка) "Зарубежгеология" в Монголии. Несколько лет жил в Улан-Баторе.
В 1991-1994 гг. возглавлял Русскую торговую палату. В 1993-1994 гг. был начальником производственного отдела фирмы СТР, в 1994-1995 гг. исполнительным директором строительной корпорации "Возрождение Санкт-Петербурга", а также Северного инвестиционно-финансового фонда.
В 1994 г. избран депутатом Законодательного собрания Санкт-Петербурга I созыва от избирательного блока "Весь Петербург". Возглавлял фракцию "Мариинская". С апреля 1995 г. был первым заместителем председателя заксобрания, с апреля по декабрь 1998 г. исполнял обязанности спикера.
В 1998 г. вновь был избран в Законодательное собрание Санкт-Петербурга по избирательному округу №12. Координатор фракции "Законность". В 2000-2001 гг. - заместитель председателя городского парламента.
В 2000 г. был заместителем руководителя избирательного штаба кандидата в президенты РФ Владимира Путина по Санкт-Петербургу.
13 июня 2001 г. избран членом Совета Федерации РФ (сенатором) - представителем от Законодательного собрания Санкт-Петербурга. С октября 2001 г. был заместителем председателя сенатского комитета по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
5 декабря 2001 г. избран председателем Совета Федерации, сменив Егора Строева (переизбирался 29 января 2003 г. и 30 марта 2007 г.). С мая 2002 г. возглавлял Совет по взаимодействию СФ с законодательными органами государственной власти субъектов РФ (Совет законодателей).
В 2002 г. вошел в состав Совета безопасности РФ, в 2004–2011 гг. был постоянным членом Совбеза.
В апреле 2003 г. стал председателем Российской партии жизни. В 2003 г. участвовал в выборах в Госдуму РФ IV созыва от блока "Партия возрождения России - Российская партия жизни", однако блок в нижнюю палату парламента не прошел, не преодолев пятипроцентный барьер (1,88%).
В 2004 г. Сергей Миронов был выдвинут Российской партией жизни кандидатом на пост президента РФ. По итогам голосования 14 марта того же года набрал 0,75% голосов, заняв последнее шестое место.
28 октября 2006 г. на объединительном съезде Российской партии жизни, Российской партии пенсионеров и "Родины" был избран председателем новой партии "Справедливая Россия: Родина/Пенсионеры/Жизнь" (с 2009 г. - "Справедливая Россия"). Переизбран в апреле 2008 г., тогда же возглавил центральный совет, президиум совета и бюро партии.
2 декабря 2007 г. стал депутатом Государственной думы V созыва по федеральному списку партии "Справедливая Россия: Родина/Пенсионеры/Жизнь". После выборов отказался от мандата, сохранив членство в Совете Федерации.
16 апреля 2011 г. объявил об уходе с поста председателя "Справедливой России", заявив при этом, что остается лидером партии. Возглавил совет палаты депутатов "Справедливой России" (занимал должность до октября 2013 г.).
18 мая 2011 г. Законодательное собрание Санкт-Петербурга приняло постановление о досрочном прекращении полномочий Сергея Миронова, он был отозван из Совета Федерации. Отставка была инициирована фракцией "Единая Россия", имевшей большинство мест в региональном парламенте. Незадолго до отзыва Сергей Миронов выступил с резкой критикой деятельности городских властей. В свою очередь депутаты от "Единой России" обвинили Миронова в том, что он не отстаивает интересы своего региона в Совете Федерации. 18 мая 2011 г. полномочия спикера были прекращены автоматически. Во главе Совета Федерации Сергея Миронова сменила Валентина Матвиенко.
После ухода из верхней палаты парламента Сергей Миронов стал депутатом Государственной думы РФ V созыва. 24 мая 2011 г. депутат Госдумы от "Справедливой России" Елена Вторыгина заявила о добровольном сложении своих полномочий с целью передачи мандата Миронову. 8 июня 2011 г. Сергей Миронов получил вакантный мандат, 14 июня того же года занял пост лидера фракции "Справедливая Россия", сменив Николая Левичева. Вошел в состав думского комитета по науке и наукоемким технологиям.
С 2011 по 2016 г. - депутат Государственной думы РФ VI созыва. Был избран 4 декабря 2011 г. по списку партии "Справедливая Россия". В Госдуме возглавил партийную фракцию, вошел в комитет ГД по жилищной политике и жилищно-коммунальному хозяйству.
4 марта 2012 г. баллотировался на пост президента РФ от партии "Справедливая России", набрал 3,85% голосов избирателей (последнее пятое место).
27 октября 2013 г. на съезде "Справедливой России" вновь был избран председателем партии (переизбран 23 апреля 2016 г. и 28 октября 2018 г.).
С 2016 по 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VII созыва. Был избран 18 сентября 2016 г. от партии "Справедливая Россия" (баллотировался как единственный кандидат в федеральной части партийного списка). 3 октября 2016 г. возглавил партийную фракцию.
С декабря 2020 г. - член Государственного совета РФ.
С 22 февраля 2021 г. - председатель партии "Справедливая Россия - Патриоты - За правду" (краткое наименование - "Справедливая Россия - За правду", СРЗП). Избран на объединительном съезде партий "Справедливая Россия", "За правду" (лидер - Захар Прилепин) и "Патриоты России" (лидер - Геннадий Семигин). Сопредседателями объединенной партии стали Захар Прилепин и Геннадий Семигин. Переизбран председателем партии 20 мая 2023 г.
С 2021 г. - депутат Государственной думы РФ VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. по списку партии СРЗП. На выборах возглавлял список партии по федеральному округу. 29 сентября 2021 г. занял пост руководителя партийной фракции.
Президент Федерации спортивного туризма России.
Награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" II, III и IV степеней (2023, 2008, 2018), а также орденом Преподобного Сергия Радонежского II и I степеней (2003, 2008; РПЦ), орденом Почета (2009; Южная Осетия), цепью ордена Почета (2005; высшая награда конгресса Республики Перу), огнестрельным оружием и др. Имеет благодарность правительства РФ (2019).
Почетный член Российского минералогического общества. Коллекционер минералов. Вв мае 2011 г. подарил свою коллекцию Государственному геологическому музею им. В. И. Вернадского.
Почетный доктор, профессор ряда университетов в России и за рубежом.
Почетный гражданин Махачкалы (2006).
Автор книг и сборников статей "10 лет в политике" (2005), "За нами Россия" (2009), "Обгон по левому ряду: уроки политической борьбы" (2012), "Будущее России - тревоги и надежды" (2013), "В трудное время вместе с народом" (2016), "Серёга" (2021) и др.