Родился 2 ноября 1953 года в Новосибирске.
В 1976 году окончил факультет промышленно-гражданского строительства Новосибирского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева (ныне — Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет), в 1993 году — факультет экономики и управления Российской академии управления при правительстве РФ по специальности «менеджмент».
В 1994 году был избран депутатом Законодательного собрания Иркутской области I созыва.
В 1999-2001 гг. — депутат Государственной думы РФ III созыва.
С 10 октября 2004 — депутат Законодательного собрания Иркутской области IV созыва.
В 2007-2015 гг. — депутат Государственной думы РФ V и VI созывов.
С 2015 по 2019 годы — губернатор Иркутской области.
18 сентября 2016 года был избран депутатом Госдумы РФ VII созыва по списку партии КПРФ. После выборов от депутатского мандата отказался.
В декабре 2018 году Генпрокуратура РФ возбудила уголовное дело по факту незаконной охоты, в которой принимал участие Сергей Левченко. Дело было открыто после прокурорской проверки, поводом для которой послужило видео на YouTube, где губернатор выстрелом из ружья убивает спящего в берлоге медведя.
В июле 2019 года президент РФ Владимир Путин раскритиковал деятельность областной администрации во главе с Сергеем Левченко из-за неудовлетворительной работы по устранению последствий масштабного паводка, в результате которого в зоне бедствия оказались 109 населенных пунктов, в которых было подтоплено 11 тыс. жилых домов. Погибли 26 человек. Среди жалоб от пострадавших — проблемы с выплатами компенсаций за утраченное жилье, восстановлением документов и распределением гуманитарной помощи.
12 декабря 2019 года президент России Владимир Путин принял отставку Сергея Левченко с поста губернатора Иркутской области и назначил врио главы региона Игоря Кобзева, занимавшего прежде пост заместителя главы МЧС России.
С 2021 года — депутат Государственной думы РФ VIII созыва.