Сергей Мироненко родился 4 марта 1951 года в городе Москва. Вырос в семье врачей. В 1973 году окончил исторический факультет МГУ им. М. В. Ломоносова. Там же на кафедре истории СССР в 1978 году защитил кандидатскую диссертацию «Секретный комитет 1839-1842 гг. и указ об обязанных крестьянах».

С 1977 года работал в Институте истории СССР АН СССР. После событий августа 1991 года перешёл на работу в архив Общего отдела ЦК КПСС, затем работал заместителем директора РЦХИДНИ. В апреле 1992 года, с момента образования Государственного архива Российской Федерации - крупнейшего в России - стал его директором.

В 1992 году защитил докторскую диссертацию «Самодержавие и реформы. Политическая борьба в России в первой четверти XIX в.».

С 1999 года - член Геральдического совета при Президенте Российской Федерации.

В 2016 году вошёл в состав ВАК РФ. Член коллегии Федерального архивного агентства. Член Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки РФ. Входит в состав Геральдического совета при Президенте Российской Федерации. Заведующий кафедрой истории России XIX - начала XX вв. исторического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Член редакционных советов  журналов "Исторический архив", "Родина", "Военно-исторический журнал". 

В 2016 году 16 марта Мироненко был отправлен в отставку с поста директора Госархива РФ. Официально увольнение директора мотивировалось достижением предельного возраста для госслужащих в 65 лет. При этом Мироненко сохранил должность научного руководителя Госархива и пояснил, что решение об уходе принял самостоятельно и не видит в этом «ничего страшного».

Награжден орденом Почёта, имеет Благодарность Президента Российской Федерации, Нагрудный знак «Почётный архивист», Почетный знак Уполномоченного по правам человека в Российской Федерации, Знак отличия «За заслуги в укреплении сотрудничества со Счетной палатой Российской Федерации», Почётная грамота Министерства юстиции Российской Федерации, Национальный орден заслуг.

Женат на историке-архивисте Марии Павловне Мироненко.