Сергей Дмитриевич Станишев е роден на 5 май 1966 г. в град Херсон, Украйна. Син е на Димитър Яков Станишев - бивш секретар на Централния комитет на Българската комунистическа партия.

Майка му е преподавател във Факултета по славянски филологии на Софийския университет - професор Дина Сергеевна Мухина. Станишев има по-голям брат, роден 1952 - архитект Георги Станишев (съавтор е в спорния проект за застрояване на Карадере).

Средното си образование завършва в 35 СОУ "Добри Войников" в София, а след това Историческия факултет на Московския държавен университет.

През 1994 г. защитава докторат по история на тема “Система за издигане на висшите държавни сановници в Русия и нейната трансформация през втората половина на ХІХ век”.

В периода 1999-2000 г. кара специализация по международни отношения в Лондонската школа за икономика и политически науки. Има специализация и в Московската школа за политически изследвания.

През 1994-95 г. Станишев работи като журналист - пише за различни издания на тема външна политака.

От 1995 г. започва работа във Висшия съвет на Българската социалистическа партия като главен експерт в отдел “Външна политика и международна дейност”. На следващата година е назначен за ръководител на същия отдел.

През 2000 г. е избран за член на Висшия съвет и на Изпълнителното бюро на Висшия съвет на БСП като секретар по международните въпроси. През юни 2001 г. е избран за народен представител в 39-то Народно събрание от 19-и многомандатен избирателен район - Русе.

На 15 декември 2001 г. на второто заседание на 44-я конгрес на БСП е избран за председател на Висшия съвет на партията с протекциите на предишния лидер на партията Георги Първанов, с когото в момента са политически противници.

През декември същата година е избран от Парламентарната група на Коалиция за България за неин председател. През юни 2002 г. 45-ят конгрес на БСП го преизбира като председател на партията.

През юни 2005 г. Сергей Станишев е избран за народен представител в 40-то Народно събрание от 2-и многомандатен избирателен район - Бургас. До 16 август 2005 г. е председател на Парламентарната група на Коалиция за България, а след това поема поста министър-председател в правителството на Тройната коалиция.

В края на октомври 2012 г. той е избран за лидер на Партията на европейските социалисти (ПЕС).

Женен е за ПР специалиста Моника Йосифова и имат две деца - моче Дария и момче Георги.