Сергей Станишев е роден на 5 май 1966 г. в град Херсон, Украинска ССР, СССР.  Син е на Димитър Станишев – по произход българин от Македония, впоследствие секретар на Централния комитет на Българската комунистическа партия, отговарящ за международните връзки на БКП, и на Дина Станишева, по-късно професор от Факултета по славянски филологии на Софийския университет. Има по-голям брат, роден през 1952 г. – архитект Георгий Станишев. Станишев (на руски: Сергей Дмитриевич Станишев) е гражданин на Съветския съюз по рождение.  През 1996 г. той придобива българско гражданство, като се отказва от руското, което е придобил след разпадането на СССР.

Средното си образование завършва в 35 СОУ „Добри Войников“ в София. През 1989 г. завършва с отличие Историческия факултет на Московския държавен университет. През 1994 г. в същия университет защитава дисертация за научна степен кандидат на науките на тема „Система на служебното повишение на висшите граждански чинове в Русия и нейната еволюция във втората половина на XIX век“. През 1998 г. специализира политически науки в Московската школа за политически изследвания, а в периода 1999 – 2000 г. – по международни отношения в Лондонското училище по икономика и политически науки, където защитава научно изследване на тема „Съвременната външна политика на Русия“.

През 1994 – 1995 г. работи като журналист на свободна практика.  Той е автор на над 50 публикации на външнополитическа тематика в български и чуждестранни издания. Автор на „Защото сме социалисти“.

През 1995 г. е назначен за главен експерт в отдел „Външна политика и международна дейност“ на Висшия съвет (ВС) на Българската социалистическа партия. От 1996 до 2001 г. е завеждащ отдела.

Председател на БСП до 27 юли 2014.

На 29 септември 2012 г. Станишев е избран за президент на ПЕС и е преизбран на поста през 2015 г.