Сергей Гармаш родился 1 сентября 1958 года в Херсоне Украинской ССР в семье водителя Леонида и диспетчера на автобусной станции Людмилы Гармаш.
Будущий актер театра и кино хотел быть моряком и планировал поступить в мореходное училище, но документы подал в Днепропетровское театральное училище. Позднее окончил актерский факультет Школы-студии МХАТ, а затем присоединился к труппе Московского театра «Современник».
Спустя 36 лет службы в этом театре — в июле 2020 года — Гармаш сообщил об уходе из коллектива. Артист объяснил решение «чудовищной ситуацией», сложившейся в театре после смерти художественного руководителя театра Галины Волчек.
На счету актера около 15 ролей в театральных постановках и более 100 ролей в кино, в том числе Гармаш сыграл алкоголика Яшу в фильме «Бедные родственники», любовника Ивана в «Любовнике», императора Александра III в «Матильде».
Летом 2022 года принял участие в восстановлении Херсонского областного академического музыкально-драматического театра, поддержал последующее в сентябре 2022 года присоединение региона к России.
Актер женат на актрисе Инне Тимофеевой. Они учились на одном курсе в Школе-студии МХАТ и обручились в Херсоне в 1983 году, будучи студентами четвертого курса. Тимофеева тоже выступала на сцене «Современника». В 1988 году у них родилась дочь Дарья. У нее в 2016 году появился сын Павел.