Родился в городе Каратау. Окончил Алма-Атинский государственный медицинский институт по специальности врач-психиатр.
Литературное творчество начал примерно в 1986 году (часть ранних работ так и не была опубликована). Первый научно-фантастический рассказ «Нарушение» был опубликован в журнале «Заря» (Алма-Ата, 1988). Затем, в том же году, рассказ «За лесом, где подлый враг» издаётся в журнале «Уральский следопыт», благодаря чему впоследствии публикуется в Индии (в детском журнале «Junior Quest», Индия/АПН, № 10), затем в США, а сам автор получает возможность отправиться на семинар писателей-фантастов «Дубулты-89» и фестивали «Аэлита-89» и «Новокон-89». Там он знакомится со своим будущим соавтором Владимиром Васильевым и многими другими писателями-фантастами. В 1989 году в № 10 журнала «Изобретатель и рационализатор» опубликован рассказ «Выбор».
В этом же году он начинает работу над своим первым романом «Рыцари Сорока Островов». Предыдущий роман «Приключения Стора» (в отличие от одноимённого цикла пародий) так и остается неопубликованным. Полностью роман закончен к 1990 году. К этому моменту автор является обладателем более десятка публикаций рассказов в журналах и сборниках, а также двух повестей, «Тринадцатый город» и «Пристань жёлтых кораблей», опубликованных в издательствах «Молодая гвардия» и «Уральский следопыт». Эти повести были переизданы только в 2006 году в издательстве «АСТ» в сборнике «Пристань жёлтых кораблей».
В феврале 1990 года знакомится со своей будущей женой; в сентябре того же года они поженились.
В период с 1990 по 1992 год успевает написать три новых романа в цикле «Лорд с планеты Земля»: «Принцесса стоит смерти», «Планета, которой нет» и «Стеклянное море», а также приступает к повести «Мальчик и тьма». В этот же период он пишет такие значимые произведения, как повесть «Атомный сон», рассказы «Л — значит люди», «Дорога на Веллесберг» и «Мой папа — антибиотик». Автор часто посещает конвенты, становится участником семинаров «Ялта-90», «Ялта-91», «Аэлита-92», «Аэлита-93», «Тирасполь-93», «Сибкон-93» и «Интерпресскон-93».
В 1992 году покупает себе пишущую машинку «Brother» и в течение недели пишет подряд три рассказа — «Фугу в мундире», «Слуга» и «Поезд в тёплый край». Через год они публикуются в журнале «Фантакрим-МЕГА», а впоследствии первые два получают престижные авторские премии «Интерпресскон» (1995, 1996).
В конце 1992 года в петербургском издательстве «Terra Fantastica» выходит роман «Рыцари Сорока Островов» одновременно с первым авторским сборником, включающим в себя повести «Атомный сон» (авт. 1990) и «Восьмой цвет радуги» (авт. 1989). В следующем году на семинаре «Интерпресскон-93» знакомится с писателем-фантастом Юлием Буркиным и дарит ему первое издание своего романа.
В апреле 1993 года он получает свою первую авторскую премию «Старт» за лучший дебютный сборник «Атомный сон». После окончания института в 1992 году в течение одного года по ординатуре работает врачом-психиатром, после чего становится заместителем главного редактора журнала фантастики «Миры» при газете «Казахстанская правда», где, в частности, публикует свои рассказы «Почти весна» и «Фугу в мундире». Также ведёт отдел фантастики журнала «Заря» и состоит в редакции газеты «Мальвина».
Весной 1993 года Юлий Буркин приезжает в Алма-Ату и устраивается работать в газету «Казахстанская правда». Встретившись с Сергеем, он предлагает ему написать в соавторстве повесть. Сергей соглашается, и уже через месяц готовая повесть получает название «Сегодня, мама!». Это помогает Сергею выйти из писательского кризиса и закончить повесть «Мальчик и тьма», поэтому он предлагает в соавторстве написать ещё одну повесть. Юлий соглашается, и повесть «Остров Русь» также оказывается готова чуть менее чем за месяц. Однако к этому времени Юлий вынужден уехать в Томск, и поэтому третью повесть, «Царь, царевич, король, королевич», авторы вынуждены писать по отдельности. Тем не менее к 1994 году трилогия оказывается закончена, и часть романа публикуется в газете «Вечерний Новосибирск» и получает поощрительную премию на фестивале «Белое Пятно-94».
В 1994 году выходит второй авторский сборник, включающий в себя весь цикл «Лорд с планеты Земля» и ряд рассказов. В конце 1994 года автор покупает компьютер и после непродолжительного писательского кризиса, связанного с увлечением компьютерными играми, пишет роман, взяв за основу названия рас и планет игры «Master of Orion». Первая часть дилогии «Линия грёз» оказывается закончена к апрелю, а вторая — «Императоры иллюзий» — к сентябрю 1995 года.
К тому моменту он успевает побывать на бесчисленном количестве конвентов, таких как «Интерпресскон-94», «Интерпресскон-95», «Белое Пятно-94», «Фанкон-95» и «Сибкон-95». В марте 1995 года на фестивале фантастики в Красноярске он получает жанровую премию «Странника» «Меч Руматы» за роман «Рыцари Сорока Островов», а в мае — премию «Интерпресскон-95» за рассказ «Фугу в мундире». С июня 1995 года автор получает возможность общаться в компьютерной сети Фидонет, где и публикует, в частности, ряд произведений, которые впоследствии издаются в сборниках, — «Восточная баллада о доблестном менте» и «Дюралевое небо».
Сразу же после окончания работы над дилогией, в октябре 1995 года, писатель начинает работу над романом «Осенние визиты». Одновременно с этим он пишет повесть «Неделя неудач» для будущего сборника по мотивам произведений Стругацких.
К марту 1996-го, закончив работу над романом в соответствии с договором издательства «Локид», он начинает писать два новых романа, «Звёзды — холодные игрушки» а затем и «Лабиринт отражений». К этому времени, несмотря на задержку, выходят романы «Линия грёз» и «Императоры иллюзий», трилогия «Лорд с планеты земля», а также сборник ранней фантастики «Отложенное возмездие». После этого выходит сборник «Время учеников», в который вошла под названием «Временная суета» повесть «Неделя неудач».

В Москве
К осени 1996 года автор заканчивает работу над «Лабиринтом отражений» и навсегда покидает Алма-Ату, переехав на постоянное жительство в Москву. Основными аргументами становятся близость к издательствам и слишком большие денежные затраты на многочисленные поездки в Россию. К концу 1996 года он заканчивает работу над романом «Звёзды — холодные игрушки» и сразу после переезда в Москву совместно с Ником Перумовым начинает работу над задуманным ещё во время общения в Фидо романом под начальным названием «Мгновенья дня, мгновенья ночи».
В 1997 году он заключает контракт с издательствами АСТ и Terra Fantastica на публикацию двух своих новых книг в книжной серии «Звёздный Лабиринт». В июне в этой серии выходит «Лабиринт отражений», а в июле — «Звёзды — холодные игрушки». Тем временем в издательстве «Эксмо» выходит совместный роман соавторов, получивший название «Не время для драконов». В августе 1997 года он начинает работу над новым романом «Холодные берега», полностью закончив его к ноябрю этого же года.
В 1998 году вышел роман «Ночной Дозор», положивший начало новой серии («Дневной Дозор», «Сумеречный Дозор», «Последний Дозор», «Мелкий Дозор» и пр.) и получивший большую популярность в связи с экранизацией в 2004 году. Помимо большого числа других литературных премий, в 1999 году Сергей Лукьяненко стал самым молодым на нынешний день лауреатом «Аэлиты» — старейшей отечественной премии, присуждаемой за общий вклад в развитие фантастики. В 2005 году вышел фильм «Дневной Дозор», который, несмотря на название, в основном основан на второй и третьей частях романа «Ночной Дозор» и только частично на романе «Дневной Дозор». В обоих фильмах Лукьяненко выступил в качестве автора сценария.
В ноябре 2008 года писатель принял участие в телеигре «Что? Где? Когда?» в команде Валдиса Пельша и верно ответил на вопрос о фильме «Назад в будущее», после которого его команда одержала победу.
Свой жанр писатель определяет как «Фантастику жесткого действия» или «Фантастику Пути».
В январе 2010 года журнал «Эксперт» составил рейтинг десяти лучших российских писателей, в котором Лукьяненко разделил с Александром Кабаковым и Борисом Акуниным 5—7-е места. Журнал выставил писателям оценки по семи параметрам: «Премии», «Признание экспертов», «Тиражи», «Наличие фанатов», «Публичность», «Наличие экранизаций», «Репутация», и в сумме Лукьяненко, так же как Кабаков и Акунин, набрал 26 баллов, причём за премии Сергей Васильевич получил один балл: журнал ошибочно посчитал, что в активе Лукьяненко нет ни одной премии. В итоге Лукьяненко отстал на 5 баллов от победителя — Виктора Пелевина — и на 3 балла — от занявшей второе место Людмилы Улицкой.
С января 2010 года ведёт авторскую колонку в интернет-газете «Взгляд».
С декабря 2010 года работал над очередным романом из «дозоровского» цикла — «Новый Дозор», который был опубликован в 2012 году.
В 2011 году вместе с соавтором Владимиром Васильевым принимает участие в телепроекте «Город чудес, или Новогодний дозор, вольной новогодней интерпретации «Дозоров» на Украинском телевидении.
Сергей женат, постоянно проживает в Москве. У Сергея и Софии Лукьяненко двое сыновей, Артемий (род. 24.2.2004) и Даниил (род. 23.11.2007), и дочь Надежда (род. 29.11.2012).