Народився 21 червня 1971, місто Червоноармійськ, тепер місто Радивилів Рівненської області.
У 1988 році закінчив Житомирську загальноосвітню школу № 21, після чого вступив до Харківського вищого танкового командного училища, яке закінчив з відзнакою.
У 2016 році закінчив Університет державної фіскальної служби України, отримав повну вищу освіту за спеціальністю «Фінанси і кредит», здобув кваліфікацію спеціаліста з фінансів і кредиту.
Проходив військову службу у місті Житомирі.
Пізніше займався підприємницькою діяльністю, був комерційним директором ТОВ «Технотронік». Потім працював на посаді комерційного директора, директора ТОВ «Візаж» у місті Житомирі, яке спеціалізувалося на виробництві вікон.
У 2006 року був обраний депутатом Житомирської міської ради по списку партії «Наша Україна». З 2010 по 2014 роки — депутат Житомирської обласної ради від «Фронту Змін».
Під час подій в листопаді 2013 року з перших днів брав активну участь у Євромайдані. У березні 2014 року, при підтримці патріотів Житомирського Євромайдану, був висунутий кандидатом на посаду першого заступника міського голови. Рішенням сесії Житомирської міської ради був затверджений на дану посаду. З того часу веде активну роботу по відновленню та розвитку міського господарства.
У березні 2014 — листопаді 2015 року — 1-й заступник Житомирського міського голови з питань діяльності виконавчих органів рад.
З 15 листопада 2015 року — Житомирський міський голова.
Сергія Сухомлин йшов на вибори за час політичної діяльності від шести партій: «Наша Україна» - 2006-2010 роки (депутат Житомирської міської ради), «Фронт змін» - 2010-2014 роки (депутат Житомирської міської ради), «Батьківщина» - 2012 рік (балотувався у Верховну Раду), «Солідарність» - 2015 рік, «Пропозиція» - 2020 рік.
Переміг в місцевих виборах 25 жовтня 2020 року. Міський голова Житомира переконаний, що в період карантину повний локдаун можливий лише за умови надання державою фінансової допомоги бізнесу.
У вересні 2024 року Сухомлин достроково склав повноваження міського голови Житомира, його заяву про відставку підтримала міська рада. Заміст нього в.о. мера стала секретар міської ради Галина Шиманська.
27 вересня 2024 року призначений Кабінетом міністрів України головою Державного агентства відновлення та розвитку інфраструктури України.
Одружений. З дружиною Cвітланою виховують трьох дітей.
Нагороджений орденом Данила Галицького (28 червня 2017).
01.10.2024