Сергей Михайлович Семенов родился 21 июля 1948 г. в г. Москва. В 1970 г. окончил механико-математический факультет Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова. В том же году поступил в аспирантуру при этом факультете и закончил ее в 1973 г., защитив диссертацию на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. С 1974 г. и по настоящее время работает в Москве и занимается исследованиями в области наук о Земле — в Институте прикладной геофизики (ИПГ ГУГМС при Совете Министров СССР), в Лаборатории мониторинга природной среды и климата (ЛАМ Госкомгидромета СССР и АН СССР) и в Институте глобального климата и экологии Росгидромета и РАН, образованном на ее базе (в настоящее время — ФГБУ “Институт глобального климата и экологии имени академика Ю. А. Израэля” (ФГБУ “ИГКЭ”)). За время работы занимал должности младшего научного сотрудника (с 1974 г.), старшего научного сотрудника (с 1976 г.), заведующего отделом (с 1985 г.), заместителя директора института по научной работе (с 1997 г.) и директора ФГБУ “ИГКЭ” (2011—2017 гг.). С августа 2017 г. является научным руководителем ФГБУ “ИГКЭ”. С 1985 г. — доктор физико-математических наук. Был научным руководителем 6 соискателей, успешно защитивших кандидатские диссертации. В 1997 г. ему присвоено ученое звание профессора, а в 2008 г. — почетное звание “Заслуженный деятель науки Российской Федерации”. В качестве приглашенного исследователя работал в ряде зарубежных университетов: в Германии (1991 г.), Швеции (1991 г.), США (1993 и 1995 гг.). С 1988 г. — ведущий автор, а с 2003 г. — координирующий ведущий автор Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), удостоенной в 2007 г. Нобелевской премии мира. В настоящее время — член Бюро МГЭИК, вице-председатель Рабочей группы-II МГЭИК. Опубликовал 192 научные работы, в том числе 5 монографий.
С 2014 г. — член редколлегии научного-технического журнала “Метеорология и гидрология”. С 2015 г. — член редколлегии научного журнала “Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем”, главный редактор научного журнала “Фундаментальная и прикладная климатология”. Он является членом Московского математического общества, Научного совета РАН по теории климата Земли, Национального комитета по теоретической и прикладной механике. Удостоен именных премий Росгидромета за научные работы: в 2000 г. — премии имени академика Е. К. Федорова за монографию “Тропосферный озон и рост растений в Европе”; в 2014 г. — премии имени А.И. Воейкова за подготовку монографии “Методы оценки последствий изменения климата для физических и биологических систем”.