В 1996 году окончил миасскую школу № 19 с золотой медалью.
В 2002 году окончил Челябинскую государственную медицинскую академию (ныне — Южно-уральский государственный медицинский университет) с красным дипломом по специальности «лечебное дело».
Профессиональная деятельность:
В 1997 году студент-медик Сергей Малозёмов отправил кассету со своим голосом на челябинскую радиостанцию «Студия-1». Семпл понравился руководству и его пригласили работать диджеем.
В 1997—1998 годах — Радио «Студия-1» (Челябинск)
В 1998—1999 годах — Радио «Интерволна» (Челябинск)
В 1999—2005 годах — Радио «СИ» (Екатеринбург), Радио «Серебряный дождь — Челябинск», Радио «Эхо Москвы в Екатеринбурге», «Радио Олимп» (Челябинск), телеканал «ТВЦ-Екатеринбург»
В 2005 году завершил обучение на курсе в Школе телевизионного мастерства Владимира Познера и вскоре переехал в Москву. Здесь ему удалось устроиться на телеканал НТВ редактором отдела международной информации.
С 2005 года — редактор, корреспондент, а впоследствии — научный обозреватель Дирекции информационного вещания НТВ (программа «Сегодня»).
C 2012 года — автор и ведущий научно-популярной программы «Чудо техники с Сергеем Малозёмовым».
В 2013—2014 годах — автор и ведущий цикла документальных фильмов «Научные расследования Сергея Малозёмова», который в 2015 году продолжился серией документальных фильмов под брендом «Еда живая и мёртвая», а с 2016 года превратился в научно-кулинарную еженедельную программу «Еда живая и мёртвая» на НТВ.
В августе 2014 года Сергей Малозёмов пострадал на работе — на съёмках очередного сюжета программы «Чудо техники», упав с велосипеда. После этого в нескольких программах Сергей появлялся в кадре с ортезом на сломанной руке.
В 2017 году был ведущим шоу о стартапах «Идея на миллион» на канале НТВ.