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.

През май 2000 г. е избран за член на ВС на БСП, през юни 2001 г. – за народен представител от 19-ти Русенски многомандатен избирателен район (МИР), а през декември 2001 г. – за председател на ВС на БСП и на парламентарната група (ПГ) на „Коалиция за България“ (КБ). Избран е за депутат от 2-ри Бургаски МИР през юни 2005 г. Председател на ПГ на КБ в 40-то НС до избирането му за премиер.

През юли 2014 г. обявява, че ще напусне лидерския пост, след като го е заемал в продължение на 13 години.

Председател на БСП до 27 юли 2014, когато на този пост е избран Михаил Миков.
Министър-председател на България

Избран за министър-председател на Република България в правителството на Коалиция за България, НДСВ и ДПС на 16 август 2005 г. с гласовете на 168 народни представители, 67 са „против“, а нито един депутат не гласува „въздържал се“. Официално встъпва в длъжност на 17 август 2005 г.

На 1 януари 2007 г., по време на неговия мандат, Европейският съюз приема България за свой член, след като няколко предишни правителства подготвят членството на страната в тази структура.

Непоследователното управление на кабинета на Станишев и изтичащата информация за корупция във властта водят до тежка загуба за БСП на парламентарните избори през 2009 г. и тя минава в опозиция. Министри от следващия кабинет на Бойко Борисов предават на прокуратурата редица данни за злоупотреба с държавни и европейски средства на министри от кабинета на Станишев. Част от сигналите стигат до дела в съда, но така и не са намерени достатъчно доказателства за осъдителни присъди. Въпреки тежката загуба на изборите и последвалите партийни скандали Станишев отказва да подаде оставка и остава начело на БСП.
Депутат в българския и Европейския парламент

След изборите през 2009 г. Станишев става депутат в 42-ото Народно събрание.

На изборите за Европейски парламент през 2014 е избран за евродепутат и през юни 2014 напуска като депутат Народното събрание, за да заеме място в Европарламента.
Президент на ПЕС

Между 2002 и 2009 е член на председателството на Партията на европейските социалисти (ПЕС). След като предишният лидер Паул Нюруп Расмусен се оттегля по здравословни причини през ноември 2011, е избран за временен председател. На 29 септември 2012 г. Станишев е избран за президент на ПЕС и е преизбран на поста през 2015 г.

В спора за или против Истанбулската конвенция (Конвенция на Съвета на Европа за превенция и борба с насилието над жени и домашното насилие) през 2018 г. Станишев е един от политиците с най-активна кампания в подкрепа на документа.