Родился в городе Бельцы Молдавской ССР.
Учился в Симферопольском высшем военно-политическом строительном училище (1993 год выпуска), однако диплом не получил.
В 1993—1998 годах — заместитель директора кооператива «Эллада». Занимался частным предпринимательством в сфере продуктов питания, консервации.
С октября 1998 года по март 2001 года — заместитель директора ООО «Астерикс».
С апреля 2001 года — заместитель директора ООО «Эскада».
С 2008 года — член Русской общины Крыма, член общественной организации «Гражданский актив Крыма».
С 2009 года — член правления «Гражданского актива Крыма», руководимого Виталием Лазуткиным сопредседатель Координационного совета «За русское единство в Крыму!».
С декабря 2010 года — лидер всекрымского общественно-политического движения «Русское единство», образованного слиянием «Русской общины Крыма» Сергея Цекова, «Гражданского актива Крыма», Всекрымского движения «Русское единство» самого Аксёнова и ряда других организаций.
С 2010 года — депутат Верховного Совета Автономной Республики Крым по многомандатному округу от «Русского единства», набравшего 4 % голосов на выборах в Верховный совет Крыма.
28 октября 2012 года на выборах в Верховную раду Украины набрал 9 % голосов избирателей, заняв четвёртое место в одномандатном округе.
Сергей Аксёнов — президент Федерации греко-римской борьбы АР Крым с 2010 года.
27 февраля 2014 года Аксенов решением Верховного Совета Автономной Республики Крым назначен на должность Председателя Совета министров Автономной Республики Крым.
2 апреля 2014 года — назначен сопредседателем крымского регионального отделения Общероссийского народного фронта.
С 9 апреля по 25 октября 2014 года, с 7 апреля по 10 ноября 2015 года и с 6 апреля по 22 ноября 2016 года — член президиума Государственного совета Российской Федерации.
14 апреля 2014 года — указом президента РФ Владимира Путина Сергей Аксенов назначен временно исполняющим обязанности Главы Республики Крым.
В связи с этим, Госсовет республики досрочно прекратил депутатские полномочия Аксенова.
9 октября 2014 года — избран Главой Республики Крым и принял решение о совмещении должности Главы Республики Крым и Председателя Совета министров Республики Крым.
Член Высшего Совета партии «Единая Россия».
19 июля 2019 года секретарь Генсовета Единой России Андрей Турчак заявил, что после парламентских выборов в Крыму партия предложит кандидатуру Сергея Аксенова на второй срок.
Председатель Крымского отделения Российского военно-исторического общества.