Сергей Воронов родился 3 октября 1987 года в городе Москва. В четыре года родители записали мальчика в секцию по фигурному катанию. Тренировался под руководством Р.В. Арутюняна. В связи с переездом тренера в 2002 году, Сергей переехал в город Санкт-Петербург, к тренеру Галине Кашиной. Впоследствии его наставником стал Алексей Урманов.
В 2005 году Воронов впервые завоевал серебряную медаль юниорского Чемпионата России и право поехать на Чемпионат Мира среди юниоров. Однако из-за травмы Сергею пришлось сняться с соревнований после квалификационного раунда. В следующем сезоне вновь завоевал вторые места на Чемпионатах России и Мира среди юниоров.
Фигурист в сезоне 2006/2007 года впервые принял участие в этапах серии Гран-При по фигурному катанию, став шестым и не попав на Чемпионат Европы 2007 года. Удачно выступил на Универсиаде в 2007 году, где занял пятое место. Затем выиграв Чемпионат России среди юниоров и бронзу на мировом юниорском Первенстве, получил право выступить на Чемпионате Мира в городе Токио, Япония, где стал девятнадцатым.
В связи с проблемами со здоровьем в сезоне 2007/2008 года Сергей не смог весь сезон выполнять зубцовые прыжки, однако выиграл первую для себя медаль этапа Гран-При, затем стал Чемпионом России и успешно выступил на Чемпионатах Европы и Мира, заняв на них 4 и 7 места. В следующем сезоне выступил неудачно: стал шестым на этапе «Skate Canada» и седьмым на «Cup of Russia».
Сергей Воронов в 2008 году подтвердил свой титул Чемпиона страны, поменяв ранее короткую программу. На Чемпионате Европы в следующем году попал на девятое место. Затем выиграл серебро этапа в Китае. Сумев сохранить для России место в мужском одиночном катании на Чемпионат Мира 2010 года, обеспечил путевку на зимние Олимпийские игры в городе Ванкувер, Канада. В конце сезона принял участие в первом командном Чемпионате Мира по фигурному катанию: в личном зачете стал седьмым.
На Чемпионате Мира 2010 года в итальянском городе Турин, Сергей получил право на участие в турнире. Выступив неудачно, Воронов принял решение о прекращении сотрудничества с Алексеем Урмановым и возвращении в город Москва. Новым тренером спортсмена стал Николай Морозов. На Чемпионате Европы чисто исполнил короткую программу с каскадом четверной тулуп - тройной тулуп, в произвольной: два четверных и шесть тройных прыжков, выиграв серебряную медаль.
Сезон 2015/2016 фигурист начал в Финляндии Finlandia Trophy, лидировав после короткой программы. На национальном Чемпионате выступил не удачно, финишировал на пятом месте и не отобрался в сборную. В марте 2016 года Федерация фигурного катания на коньках России подтвердила, что Воронов покинул группу Тутберидзе и перешел к Инне Гончаренко.
Предолимпийский сезон российский фигурист начал на Мемориале Ондрея Непелы в Словацкой Республике, где исполнил два четверных тулупа в обеих программах, уверенно победив. В октябре российский фигурист выступал на этапе Гран-при в городе Чикаго, где на Кубке Америки занял место в середине таблицы. В середине ноября принял участие в этапе Гран-При в городе Пекин, став бронзовым призером. Позднее, в финале Кубка России завоевал бронзу.
Новый олимпийский сезон фигурист начал в словацком городе Братислава на турнире Мемориал Ондрея Непелы, финишировав с серебряной медалью. На турнире «Челленджер», ему удалось выступить более удачно и финишировать с золотой медалью, улучшив свое прежнее достижение в произвольной программе. В начале ноября победил на японском этапе серии Гран-При. При этом ему удалось улучшить прежние достижения в сумме и произвольной программе.
Сергей Воронов является мастером спорта России международного класса по фигурному