В 1985 году окончил Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова по специальности «Физиология».
По окончании университета начал работу в Институте биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН (ИБХ РАН), где прошел путь от стажера-исследователя да зав.отделом и зам.директора института.
В 1994 году защитил кандидатскую диссертацию, в 1999 году – докторскую по теме «Селективная супрессия полимеразной цепной реакции – новый подход к анализу структуры и экспрессии сложных геномов».
В 2003 году избран членом-корреспондентом Российской академии наук, а в 2011 году — академиком РАН.
В 2012-2013 гг. замещал должность помощника федерального министра в Министерстве здравоохранения РФ.
В 2010-2013 гг. работал в РНИМУ им. Пирогова в должности профессора, с 2013 года — проректором по критическим биомедицинским технологиям.
С 8 августа 2016 г. приказом Министерства здравоохранения РФ № 237пк академик РАН Сергей Анатольевич Лукьянов утвержден в должности ректора РНИМУ им. Н.И. Пирогова.