Сергей Агафонов родился 27 мая 1981 года в городе Иркутск. В детстве мечтал о сцене, занимался спортом и танцами. В 1995 году окончил Хореографическое училище в Улан-Удэ. Вернувшись в родной город, окончил в 2000 году - Иркутское театральное училище. В 2005 году Сергей стал выпускником Санкт-Петербургской Государственной академии театрального искусства, получив специальность «Актер драматического театра и кино».
После вуза его пригласили в театр «Русская антреприза», играть в спектакле «Нахлебник». За время подготовки новоиспеченный актер получил бесценный опыт работы в антрепризе и после премьеры отправился в свободное плавание, сотрудничая с различными театрами.
С 2006 года по 2007 год был артистом в Санкт-Петербургском ТЮЗе имени А.А. Брянцева, покинув его по собственному желанию. В 2006 году стал Лауреатом премии «Золотой софит» в номинации лучший дебют сезона 2005/06 год за роль Гарольда в спектакле «Гарольд и Мод».
В 2006 году актер дебютировал, сыграв небольшую роль в сериале «Секретная служба Его Величества». Затем были эпизодические герои в сериалах «Улицы разбитых фонарей 8», «Сонька золотая ручка», «Спецгруппа», «Янтарный барон», «Боец 2: Рождение легенды», «ГИБДД и т.д.».
С 5 октября 2009 года Сергей Агафонов работает с Государственным драматическим театром «Театра на Васильевском». В 2014 году стал Лауреатом премии «Золотой софит» за «Лучшую актерскую работу» в разделе «Негосударственные театры» за роли в спектакле «Андрей Иванович возвращается домой» в постановке Романа Габриа.
Сергей Агафонов сотрудничает с разными петербургскими театрами, среди которых Театр Комедии имени Н.П. Акимова, Малый Драматический Театр, Приют Комедианта, ТК «Открытое пространство», Театр «Мастерская» и другие.
Фильмография актера ежегодно пополняется новыми проектами, среди которых фильмы «28 Панфиловцев», «Свидетели», «Облепиховое лето», «Отставник 2», «Ветер северный» и сериалы «Пять минут тишины», «Береговая охрана» и другие.