Родился 2 апреля 1964 года во Владивостоке. Детство провёл в Обнинске, куда переехал с родителями. Окончил школу № 7, и окончил её в 1981 году. Параллельно учёбе в школе занимался в баскетбольной секции в спортивном зале Обнинского филиала Научно-исследовательского физико-химического института имени Л. Я. Карпова.
По окончании школы поступил в Московский горный институт. Участник институтской команды КВН «МАГМА». Команда выступала ярко, а потому Сергей Белоголовцев уже очень скоро стал настоящей звездой.
В 1993-м году Сергей Белоголовцев получил предложение поработать над созданием передачи «Великолепная семерка». На первых порах он работал над созданием новых выпусков в качестве сценариста, однако уже совсем скоро стал самолично появляться в кадре. Он был настоящей душой коллектива, сочетая в себе одновременно качества ведущего, сценариста, актера и режиссера. В итоге, благодаря стараниям актера, передача получила большой успех. Харизматичный ведущий очень нравился зрителям, а потому совсем скоро Сергея стали приглашать и в другие проекты.
Затем состоялись премьеры программ «Раз в неделю», «Схема смеха», «Спасите, ремонт», «Проспект знаний», «Назло рекордам!?», «Дачные истории» и еще около десятка передач.
Но особняком в карьере Сергея стояло комедийное шоу «О.С.П.-студия» и выпускаемый командой телесериал «33 квадратных метра», где актер сыграл главу эпатажного семейства Звездуновых. В этих проектах Белоголовцев вместе с Михаилом Шацем, Татьяной Лазаревой, Андреем Бочаровым и Павлом Кабановым разыгрывали представления, в которых пародировали звезд шоу-бизнеса, политиков, телеведущих и простых жителей России.
После грандиозного успеха сериала «33 квадратных метра» Сергей Белоголовцев не стал забрасывать карьеру актера, хотя она и не стала для него основной. В начале 2000-х Белоголовцев появлялся в эпизодах нескольких рейтинговых комедий – «Папины дочки», «Моя прекрасная няня» и «Два Антона».
В 2006 году артист снялся в фильме «Цвет неба». Через год снялся в комедии «Вся такая внезапная» с Анной Семенович и Игорем Верником в главных ролях. В 2009 снялся в социальной драме Бориса Грачевского «Крыша» о взаимоотношениях детей и вечно занятых родителей. В 2010 году снялся в криминальном триллере «Вендетта по-русски» и в драме «Дар». В 2011 году сыграл роль в картине по роману Сергея Минаева «Духless». В это же время Белоголовцев получил главную роль в комедийном сериале «Такси». Фильм транслировался в течение двух лет по украинскому и российскому телевидению. В 2013 году с участием Белоголовцева вышла мелодрама «Кукушечка». Через год последовали работы в комедии «Корпоратив», фильме-фэнтези «Территория Джа». В 2015 году Сергей попал в основной актерский состав лирической комедии «Юрочка».
На телевидении в разные годы Сергей приложил руку к созданию таких передач как «Спасите, ремонт!» (СТС), «Схема смеха» (РЕН-ТВ), «Загадки шоу-бизнеса» (ТНТ), «Цирк со звездами» (Первый канал Россия), «Солдаты. И офицеры» (Рен ТВ), а также некоторых других.
Телеведущий не ограничивал арсенал только юмористическими программами. Например, Сергей вел аналитическую программу о футболе «Удар головой». А в 2006 году примерил роль участника, показывая чудеса артистизма в шоу «Цирк со звездами».
В 2014 году вместе с женой Натальей создал некоммерческую организацию «Лыжи мечты», занимающуюся проведением занятий по горнолыжному спорту для детей с ДЦП.
С октября 2014 по май 2015 года в качестве соведущего со своими сыновьями Никитой и Александром вёл семейное радио-шоу «Белоголовцевы» на радиостанции «Маяк».
Увлекается футболом, по собственному признанию, с 5 лет болеет за московский «Спартак». В 2018 году стал Федеральным послом Чемпионата мира по футболу-2018.
