Родился 17 июля 1957 г. в гор. Новая Ляля Свердловской области.
В 1980 г. с отличием окончил Московский авиационный институт (МАИ) по специальности "механическое оборудование летательных аппаратов", получив квалификацию инженера-механика.
Доктор технических наук.
После окончания МАИ, в 1980-1981 гг. работал инженером в головном конструкторском бюро НПО "Энергия" (ныне Ракетно-космическая корпорация, РКК, "Энергия" им. С. П. Королёва) в подмосковном г. Калининграде (ныне Королёв).
В 1981-1983 гг. проходил срочную военную службу в рядах Вооруженных сил СССР.
После службы в армии вернулся в НПО "Энергия", где работает до сих пор. С 1983 по 2003 г. последовательно занимал должности: инженера, старшего инженера, ведущего инженера, начальника сектора, начальника отделения, заместителя руководителя научно-технического центра - начальника отделения.
В 2003 г. был назначен заместителем генерального конструктора, руководителем научно-технического центра РКК "Энергия".
С июля 2012 г. по декабрь 2014 г. был первым заместителем генконструктора, руководителем офиса управления проектами корпорации.
Одновременно с марта 2014 г. по октябрь 2015 г. являлся генеральным директором Завода экспериментального машиностроения РКК "Энергия".
С декабря 2014 г. по декабрь 2016 г. - генеральный конструктор пилотируемых космических комплексов РКК "Энергия".
С декабря 2016 г. по 2018 г. - первый заместитель генерального конструктора - главный конструктор пилотируемых космических комплексов корпорации. Также был заместителем председателя Государственной комиссии по проведению летных испытаний пилотируемых космических комплексов, техническим руководителем по летным испытаниям пилотируемых космических комплексов.
В 2018-2019 гг. Сергей Романов возглавлял Ракетно-космическую корпорацию "Энергия" им. С. П. Королева. 4 августа 2018 г. он был назначен врио генерального директора, после ухода Владимира Солнцева (возглавлял предприятие в 2014-2018 гг.). 12 сентября 2018 г. решением собрания акционеров Романов был назначен на должность гендиректора РКК "Энергия" на постоянной основе. 24 января 2019 г. совет директоров корпорации принял решение о приостановлении его полномочий на посту главы предприятия.
После смещения с должности главы РКК "Энергия" Сергей Романов остался работать на предприятии. С января 2019 г. по январь 2020 г. являлся первым заместителем гендиректора Николая Севастьянова.
По состоянию на сентябрь 2022 г. занимает должность заместителя генерального директора РКК "Энергия" (в н. в. предприятие возглавляет Игорь Озар), главного конструктора по пилотируемым космическим комплексам в рамках программы Международной космической станции (МКС).
Сергей Романов принимал непосредственное участие в создании систем жизнеобеспечения и терморегулирования на орбитальных станциях "Салют-7" и "Мир", орбитальном корабле "Буран". Руководил разработкой систем жизнеобеспечения и теплового режима пилотируемых космических кораблей типа "Союз" и грузовых "Прогресс", модулей "Рассвет", "Поиск" и многоцелевого лабораторного модуля МКС, а также автоматических космических аппаратов.
Награжден орденами Дружбы (2016), Александра Невского (2022), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (2001). Имеет благодарность правительства РФ (2017).
Лауреат премий правительства РФ в области науки и техники (2002, 2010).