Polunin sa narodil v ukrajinskom meste Cherson, od štyroch do ôsmich rokov trénoval balet na akadémii, nasledujúce štyri roky navštevoval Štátny choreografický inštitút v Kyjeve.
Od 13 rokov žil vo Veľkej Británii a o šesť rokov neskôr sa stal najmladším sólistom Kráľovského baletu v Londýne, v 23 rokoch už bol umeleckým šéfom súboru. O necelé tri roky neskôr ho ale opustil a médiá písali o jeho divokom životnom štýle, plnom večierkov, alkoholu a kokaínu.
O Polunina prejavil záujem aj svet filmu, napriek niekoľkým angažmánom pre strieborné plátno sa ale k tancu vrátil. Ku globálnej sláve mu pomohol tanečný klip Davida LaChapelle na YouTube, v ktorom tancuje vo svojej choreografii Take Me To Church na hudbu írskeho hudobníka Hoziera.
V roku 2018 získal Polunin ruské občianstvo a nechal si vytetovať na telo podobizeň ruského prezidenta Vladimira Putina, potom pribudli ďalšie dve.
Čítajte viac Tanečníkovi Sergejovi Poluninovi s tetovaniami Putina zrušili predstavenie
V septembri 2022 počas turné v Uzbekistane predviedol Polunin, ktorý podporuje ruskú inváziu na Ukrajine, tanec v uniforme venovaný padlým ruským vojakom, za čo si vyslúžil pokarhanie od uzbeckých úradov.
Polunin niekoľkokrát vystúpil tiež v Česku. V máji 2017 napríklad zatancoval v Národnom divadle a o dva roky neskôr päťkrát vystúpil v pražskom Fore Karlín.
O Poluninovej kariére nakrútil v roku 2016 režisér Steven Cantor film Dancer (Tanečník). Objavil sa ďalej vo filmoch Vražda v Orient Exprese (2017), Červená volavka z roku 2018 a Biela vrana z toho istého roka či v erotickej dráme Jednoducho vášeň (2020).
Polunin je ženatý s ruskou krasokorčuliarkou Jelenou Ilinychovou, majú spolu dvoch synov.
