Сергей Иванович Донченко родился 17 марта 1964 года. В 1986 году окончил Военный инженерный Краснознаменный институт им. А. Ф. Можайского.
С 1981 по 2011 годы работал в «32-м Государственном научно-исследовательском испытательном институте Министерства Обороны РФ», где прошёл путь от младшего научного сотрудника до начальника института.
Более 30 лет занимается метрологией частотно-временных измерений. В 1994 году ему присуждена учёная степень кандидата технических наук, в 2005 году – доктора технических наук. В 2009 году присвоено учёное звание профессора.
С марта по июнь 2011 года работал заместителем директора по научной работе Института прикладной астрономии РАН.
С июня 2011 года является генеральным директором ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений». За время его руководства институтом был утверждён модернизированный Государственный эталон времени и частоты, проведена модернизация Государственного первичного специального эталона единицы длины, созданы сверхточные оптические часы, многоцелевой специальный измерительный комплекс на базе радиобезэховой экранированной камеры, который обеспечивает испытания космической и иной сверхчувствительной аппаратуры в условиях отсутствия помех, а также проведён ряд других мероприятий.
Входит в состав Совета главных конструкторов предприятий разработчиков и производителей навигационной аппаратуры.
Является действительным членом Метрологической академии, членом президиума Российской Метрологической Академии, членом президиума Союза метрологов и приборостроителей.
С 2000-х годов неоднократно выступал оппонентом на защите диссертаций в Московском авиационном институте.
Женат, имеет двоих детей.