Родился 11 декабря 1980 г. в Москве.

Окончил Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ им. М.В. Ломоносова) и Академию труда и социальных отношений (Москва).

С 2003 по 2012 г. работал фотокорреспондентом московского бюро американского новостного агентства Associated Press. С 2013 г. сотрудничает с изданием The New York Times (США).
В 2009 г. стал одним из основателей тематического клуба любителей фотожурналистики Motion Photojournalism Club ("Моушн фотожурнализм клаб"). Его первое собрание состоялось на факультете журналистики МГУ им. М.В. Ломоносова и было посвящено работе фотожурналистов в "горячих точках".
Работы Сергея Пономарева отмечены рядом престижных наград в области фотожурналистики.
В 2005 г. занял первое место в категории "оперативный фоторепортаж" на конкурсе Atlanta Photojournalism Seminar ("Атланта фотожурнализм семинар", США) за серию снимков о захвате террористами школы в гор. Беслане (Северная Осетия) в сентябре 2004 г.
В 2008 г. за серию снимков о нелегальных шахтах в Киргизии получил первое место в категории "новостной фоторепортаж" на конкурсе International Photography Awards ("Интернешнл фотографи авардс", США).
В 2011 г. занял два первых и одно второе место на всероссийском фотоконкурсе "Спортивная Россия".
В 2012 г. получил Гран-при "Фотография года" российской открытой национальной премии "Лучший фотограф". Награду Пономареву принес снимок из серии "Падение Триполи", на котором ливийские повстанцы играли в крестики-нолики трассирующими и обычными пулями. В том же году за серию "Падение Триполи" получил бронзовую медаль конкурса Prix de la Photographie ("При де ля фотографи", Франция) в номинации "профессиональная военная фотография". Тогда же на проводившемся в Китае фотоконкурсе China International Press Photo Contest (англ. "Чайна интернешнл пресс фото контест") был удостоен серебряной медали в категории "наука и технологии".
В 2015 г. стал лауреатом международного конкурса фотожурналистов World Press Photo ("Ворлд пресс фото"), получив третье место в номинации "общие новости" за серию фотографий из Сектора Газа (Палестина), которую он делал для The New York Times.
В 2016 г. занял первое место на World Press Photo в номинации "общие новости" за фоторепортаж для The New York Times, посвященный кризису с беженцами, прибывающими в Европу.
18 апреля 2016 г. Пономарев стал обладателем Пулитцеровской премии в номинации "оперативная фотоинформация". Он вместе с Маурисио Лимой, Тайлером Хиксом и Дэниелом Эттером подготовил для The New York Times материал, затрагивающий проблему беженцев с Ближнего Востока, которые в течение 2015 г. пытались пересечь Средиземное море, чтобы попасть в Европу.
5 сентября 2018 г. Сергей Пономарев был удостоен международной премии "Золотая виза" в категории работ для ежедневных изданий. В этом году в течение месяца Пономарев по заказу французской газеты "Либерасьон" совершал поездку по городам России в период с 14 июня по 15 июля. Его фоторепортаж под названием "Особый взгляд" был посвящен тому, как россияне наслаждаются играми чемпионата мира по футболу, проходившего на территории РФ. На сделанных фотографиях он запечатлел не только болельщиков и стадионы, но и в целом жизнь этих российских городов. В дни чемпионата "Либерасьон" печатала по одному снимку в каждом своем номере.