Родился 12 мая 1980 года в Москве в семье известного православного богослова и проповедника протоиерея Александра Шаргунова.
В 1997 году поступил на факультет журналистики МГУ (международное отделение, телевизионная группа), который окончил в 2002 году. Одновременно с учебой в университете был помощником депутата Государственной Думы РФ тверской журналистки Татьяны Астраханкиной, а позднее стал помощником известного журналиста и депутата Юрия Щекочихина.
Во время учебы и после окончания университета работал в газетах «Патриот», «Новая газета» (куда его привел Щекочихин) и «Независимая газета» — в последней вел проекты «Свежая кровь» и «Ex Libris НГ», о которых сам впоследствии говорил: «Это не филологические трепетные изыскания, а боль, слепящий свет и красные брызги». Публиковался также в газете «Завтра» (вел колонку «Шаргуновости») и в «Русском журнале». Печатается в газете «Известия», журналах «Новый Мир», «Знамя», «Москва», «Сноб», «Медведь».
В 2007 году сам Шаргунов, оставаясь обозревателем «Независимой газеты», отмечал: «Меня разрывают на части быки «литературы», «политики», «журналистики».
Критики писали, что Шаргунов оказался успешен в литературе. В 2001 году он был удостоен звания лауреата независимой литературной премии «Дебют» в номинации «Крупная проза» за повесть «Малыш наказан» (впоследствии переведенную на итальянский и изданную в Риме). Денежную часть своей премии Шаргунов передал адвокатам находившегося в тот период в тюрьме писателя Эдуарда Лимонова. Передавая деньги, Шаргунов подчеркнул: «Я не нацбол, но решил поддержать заключенного литератора».
В 2003 году молодой писатель получил премию Московского правительства в области литературы. К 2007 году, помимо «Малыша», были опубликованы еще два его крупных произведения — «Ура!» и «Как меня зовут?». В 2008 году вышел книгой роман «Птичий грипп» посвященный молодежным политическим движениям. Тогда же вышла книга публицистики «Битва за воздух свободы».
В 2004 году во время монетизации льгот Шаргунов возглавил оппозиционное движение «Ура!», поддержанное Дмитрием Рогозиным.
В 2007 году, после объединения «Родины», Российской партии пенсионеров и Российской Партии жизни в новую структуру – партию «Справедливая Россия» занял пост и в руководстве партии, став членом Центрального совета «Справедливой России».
В апреле 2007 года в газете «Вечерняя Москва» заявил о том, что собирается стать депутатом. 23 сентября 2007 года, когда съезд «Справедливой России» утверждал списки своих кандидатов для участия в выборах в Госдуму пятого созыва, стало известно, что руководство партии включило Шаргунова в федеральный список под третьим номером.
В октябре 2007 года сообщил через свой интернет-блог, что на него «оказывается давление». Газета «Коммерсант» предположила, что речь, возможно, идет об исключении молодого политика из первой тройки избирательного списка «Справедливой России» (в качестве повода для этого издание называло «неуважительное отношение к президенту Владимиру Путину»). По информации «Коммерсанта», руководители «Справедливой России» обратились к Шаргунову с просьбой покинуть список добровольно, однако он отказался это сделать.
19 октября 2007 года секретарь президиума «Справедливой России» Александр Бабаков сообщил, что Шаргунов исключен из федерального списка партии. «Шаргунов не справился с ответственностью, возложенной на него партией», — отметил Бабаков. При этом он подчеркнул, что в соответствии с законом никто не займет место Шаргунова в федеральной тройке — «просто осталось два человека: Сергей Миронов и Светлана Горячева».
Позднее Сергей Шаргунов описал эти события в главе «Приключения черни» своего романа «Книга без фотографий».
С 2012 года — главный редактор портала «Свободная пресса».
С 2013 года является колумнистом радиостанции «Коммерсантъ FM», с лета 2014 года ведущий на радиостанции «Эхо Москвы».
С сентября 2015 года — ведущий общественно-политического ток-шоу «Процесс» на телеканале «Звезда».
Как журналист находился в зоне боевых действий в Южной Осетии в 2008 и в Донбассе в 2014 годах.
В 2016-2021 гг. – депутат Государственной думы VII созыва. 18 сентября 2016 г. был избран в Госдуму по списку КПРФ (первый номер в региональной группе №2, Республики Алтай, Бурятия и Тыва, Алтайский край). В нижней палате парламента вошел в состав партийной фракции, при этом членом КПРФ не является. С 24 января 2019 г. — заместитель председателя комитета Госдумы по культуре.
С 2021 г. — депутат Государственной думы VIII созыва. Был избран 19 сентября 2021 г. от партии КПРФ по федеральному округу. Был выдвинут под 11-м номером общефедеральной части списка кандидатов от партии, однако после исключения из нее Павла Грудинина фактически баллотировался под десятым номером. С 12 октября 2021 г. — первый заместитель председателя комитета Госдумы по культуре.
Сопредседатель правления Союза писателей России (с февраля 2018 г.).
Председатель Ассоциации союзов писателей и издателей России.
Входит в Общество русской словесности и Патриарший совет по культуре. Член совета Российского фонда культуры.
В мае 2019 г. был назначен главным редактором литературно-художественного журнала «Юность».
Имеет благодарность правительства РФ (2019). За художественно-биографическое издание «Катаев. Погоня за вечной весной» отмечен премией «Большая книга» (1917), а также премией правительства РФ в области культуры за 2018 г.
Лауреат ряда литературных премий: Всероссийская литературная премия «Дебют» (за повесть «Малыш наказан», 2001), государственная премия Москвы в области литературы и искусства (2003), премия «Эврика» (2005), премия «Аркобалено» (Италия, 2013), Международная литературная премия «Москва-Пенне» (2014), Горьковская литературная премия (2015), Всероссийская историко-литературная премия «Александр Невский» (2016) и др. Дважды финалист премии «Национальный бестселлер».
В 2026 г. выпустил роман «Попович».
Книги Сергея Шаргунова переведены на итальянский, английский и французский языки.
Был женат на писательнице Анне Козловой. В 2006 году у супругов родился сын Иван (26 марта 2006 — 02 мая 2025). 2 мая 2025 года он погиб (сбила машина).
Второй брак зарегистрирован в июне 2017 года. Супруга — Анастасия Толстая, филолог, прапраправнучка Л.Н. Толстого, дочь советника Президента РФ по культуре В.И. Толстого. В 2019 году у супругов родилась дочь Екатерина, в 2023 дочь Анна.
Сергей Шаргунов в сети: