Сергей Железняк родился 30 июля 1970 года в Ленинграде. В 1987 году окончил Ленинградское Нахимовское военно-морское училище и в 1990 году вступил в КПСС.
В 1991 году окончил Киевское высшее военно-морское политическое училище. Был направлен заместителем по политической части командира учебной роты газотурбинистов и мотористов дизельных установок. Через несколько месяцев в феврале 1992 года уволился с военной службы.
С 1993 года — руководитель отдела наружной рекламы компании «APR Group (Advertising & Public Relations)». С 1995 года — исполнительный директор компании «APR City». С 2001 года — исполнительный, затем управляющий, затем генеральный директор компании News Outdoor Russia, принадлежащей в то время медиа-магнату Руперту Мёрдоку. В 2007 году окончил швейцарскую бизнес-школу IMD International.
В 2007 году получил приглашение попробовать свои силы в политике от партии «Единая Россия». Сам Сергей Железняк объясняет, почему захотел покинуть бизнес-стезю и направиться в политику так: «Когда долго работаешь в компании, перерастаешь свою должность, хочется реализовать себя в новом качестве. Служба родине, желание изменить мир к лучшему — то, к чему меня готовили с детства. Поэтому решение идти в политику было осознанным».
В 2009 году ФНС России предъявила «News Outdoor» претензии в неуплате налогов на общую сумму 1,34 млрд рублей за период 2005—2006 годов, когда компанию возглавлял Железняк. Компания признала недоплату налогов и 19 ноября 2010 года полностью погасила задолженность в 1.34 миллиарда рублей.
В 2014 году возглавил наблюдательный совет «Национального антинаркотического союза».
20 марта 2014 года президент США Барак Обама подписал указ, по котором возможно вводить санкции против ключевых секторов российской экономики из-за «нарушения суверенитета и территориальной целостности Украины». Документ также расширил круг российских чиновников, подпадающих под визовые и экономические санкции. В расширенном списке вместе с рядом предпринимателей, чиновниками из Администрации Президента РФ, сенаторами и депутатами оказался и Сергей Железняк. Тремя днями ранее санкции против него ввёл Евросоюз, затем Канада, Австралия и Швейцария.
В декабре 2007 года был избран депутатом Государственной думы V созыва от партии «Единая Россия» (региональная группа № 80, город Москва), в думе состоял членом комитета по экономической политике и предпринимательству.
С марта 2011 года — глава комитета Госдумы по информационной политике, информационным технологиям и связи. Во время избирательной кампании 2011 года депутат Госдумы Андрей Луговой обвинил Железняка в работе на врагов России и назвал «агентом влияния стран Запада». В декабре 2011 года был избран депутатом Государственной думы VI созыва от «Единой России». В июне 2012 года стал заместителем Председателя Государственной думы вместо перешедшего в президентскую Администрацию Олега Морозова. Участвовал в заседаниях так называемого «Большого правительства» Дмитрия Медведева. В 2012 году занял пост заместителя Секретаря Генерального совета партии Единая Россия.
Является председателем всероссийского союза общественных организаций «Народное большинство России» (НРБ), которое провело учредительный съезд в сентябре 2012 года. Организация объявила о участии в деятельности ОНФ, «Единой России» и других общественных организаций, направленных на реализацию прав и требований большинства. Аналитики посчитали это событие укреплением позиций Железняка, хотя эффективность подобных движений вызывает у них большие вопросы. Данное объединение стало участником Марша в защиту детей. Организаторы заявляли своими целями ввести полный запрет на иностранное усыновление, а также желание собрать подписи под обращением к президенту РФ с просьбой вернуть в Россию младшего брата недавно погибшего Максима Кузьмина.
Один из авторов «закона о борьбе с педофилией в Интернете», закона об «иностранных агентах». После выхода 5 октября 2012 года на телеканале НТВ фильма «Анатомия протеста 2», депутат стал автором запросов в Генпрокуратуру, СКР, МВД и ФСБ. В них он требовал проверить факты, изложенные в фильме.
Также автор «Закона об отмене мобильного рабства», позволяющего абонентам беспрепятственно менять мобильного оператора при сохранении номера телефона; законопроектов о защите персональных данных россиян и авторских прав[25]; законопроектов о защите отечественного кинематографа.
13 марта 2013 года депутат Железняк направил запрос в комитет Государственной думы по вопросам депутатской этики в связи с поездкой в США депутата Дмитрия Гудкова, который участвовал в конференции, состоявшейся в здании Сената США. По мнению единоросса, «необходимо разбираться по действиям Гудкова в Америке», так как «он не имел права выступать как парламентарий».
Является противником повышения пенсионного возраста. В частности назвал повышение пенсионного возраста диким социальным экспериментом: «В нашей стране все возможно, когда по достоинству будет оценён труд каждого человека: когда не будет диких социальных экспериментов, связанных с необоснованным повышением пенсионного возраста».
Одержал победу в праймериз партии «Единая России» 22 мая 2016 года в Перовском одномандатном округе Москвы. Он включает в себя несколько районов Восточного административного округа Москвы и несколько районов Юго-восточного АО.
В июле 2018 года подал заявление об уходе с поста заместителя секретаря генсовета «Единой России» по причине отказа поддержать повышение пенсионного возраста. На голосовании по пенсионной реформе в Госдуме Сергей Железняк отсутствовал, тем самым не выполнив решение о консолидированном голосовании фракции «Единой России» за данную реформу 11 октября 2018 года Президиум генсовета партии официально освободил Сергея Железняка от должности куратора международной деятельности партии. Постоянный участник политических ток-шоу на федеральных телевизионных каналах Сергей Железняк после своей позиции по пенсионной реформе исчез из публичного информационного поля.
В выборах депутатов Государственной думы VIII созыва в сентябре 2021 года участия не принимал. По Перовскому одномандатному округу № 204 Москвы избрана депутатом Татьяна Буцкая.