Родился 28 февраля 1962 года в городе Ульяновске.

Имеет два высших образования: в 1989 году окончил Ульяновский политехнический институт (ныне – университет) по специальности «инженер-механик»; в 2002 году получил высшее образование в Ульяновском государственном университете по специальности «Экономист-менеджер».

Трудовую деятельность Сергей Дементьев начал в 1985 году контрольным мастером на Ульяновском автомобильном заводе. За 26 лет он прошел на этом предприятии трудовой путь от контрольного мастера до управляющего металлургическим производством ОАО «УАЗ». С 2004 по 2010 годы работал генеральным директором ООО «УАЗ-Металлургия», зарекомендовав себя руководителем новой формации, обладающим широкой эрудицией и организаторскими способностями по внедрению инновационных преобразований в отрасли машиностроения. В апреле 2008 Сергей Дементьев был назначен на должность исполнительного директора, а затем и первого заместителя генерального директора головного предприятия Ульяновского авиационного кластера - АО «Авиастар-СП». С 30 апреля 2010 года он стал генеральным директором этого градообразующего предприятия.

Под руководством Дементьева ведется строительство самолетов семейства Ту-204, успешно реализуются проекты по модернизации и ремонту самолётов Ан-124 «Руслан». В рамках контракта с Министерством обороны Российской Федерации развернуто серийное производство тяжёлых транспортных самолётов Ил-76МД-90А.

За свои трудовые заслуги Сергей Дементьев награждён медалью «За усердие и доблесть» 11 степени, Почётной грамотой Минпромторга РФ, Медалью Почёта «За вклад в социально-экономическое развитие Ульяновской области, многолетнюю и добросовестную работу в промышленности и достигнутые трудовые успехи».

Сергей Дементьев вошёл в ТОП-100 рейтинга «Индустриальная элита России» - 100 лучших производственных менеджеров.

В июле 2016 года Дементьев был согласован на должность нового руководителя Центрального конструкторского бюро по судам на подводных крыльях им. Р.Е. Алексеева, вернулся (в связи с семейными обстоятельствами) из Нижнего в Ульяновск в начале 2018-го.

Был депутатом  Ульяновской Городской Думы V созыва по 11-му округу до сентября 2020 года.

Являлся президентом ульяновского хоккейного клуба «Волга».

Женат. Имеет двоих сыновей.

Не любит отдыхать за границей («Когда дети были маленькими, на личном автомобиле, а у нас был «уазик», часто ездили на Кавказ. Сейчас сыновья подросли, перестали нам компанию составлять. В Турцию и Египет не ездим принципиально. Во время отдыха люблю фотографировать живописные виды на память — для себя, для друзей. Чтобы они с помощью моих фото также смогли побывать в тех интересных местах, где отдыхал я»).

Кроме того, активно занимался футболом, участвовал в городских и областных соревнованиях. Любит пробежки, катание на коньках.