Родился 2 ноября 1953 года в Новосибирске. Новосибирск является его родным городом, у Левченко тесные связи с новосибирскими коммунистами. В 1976 году окончил Новосибирский инженерно-строительный институт имени В.В.Куйбышева. По распределению попал в Красноярское СМУ треста "Сибстальконструкция". В своей строительной карьере дорос до начальника участка. В 1982 году перешел на работу в Ангарское управление треста "Красноярскстальконструкция", где работал до 1987 года. В 1987 году, уже на излете СССР, стал председателем Юго-Западного райисполкома города Ангарска и депутатом Юго-Западного района совета народных депутатов.
В следующем году стал вторым секретарем Ангарского горкома КПСС, а в 1990 году - первым секретарем. В 1991 году, с распадом СССР, прекратил партийную деятельность и вернулся начальником в Ангарское строительно-монтажное управление. В 1993 году занял должность генерального директора управления. Вплоть до 1999 года активно занимался приватизацией в пользу своей семьи ЗАО "Стальконструкция" и ее многочисленных филиалов.
В 1993 году неожиданно стал первым секретарем Иркутского обкома КПРФ. В том же году закончил Академию Госслужбы при Президенте РФ. В 1994 году был избран в Законодательное собрание Иркутской области первого созыва. В 1997 году вошел в состав Центрального Комитета КПРФ. В том же году баллотировался в губернаторы Иркутской области, однако проиграл Борису Говорину, набрав 18% голосов. В период с 1997 по 1999, по данным ГУ МВД по Иркутской области, в отношении Сергея Левченко было возбуждено уголовное дело по статье 171 часть 2 (незаконное предпринимательство в составе группы или в особо крупном размере). По данным Информационного центра ГУ МВД, на 2000 год у Сергея Левченко имелась судимость по данному делу.
В 1999 году был избран в Госдуму РФ третьего созыва, где был членом комитета по энергетике, транспорту и связи. В 2001 году баллотировался в губернаторы Иркутской области, но проиграл Борису Говорину, набрав 45% голосов. В 2004 году избрался в Законодательное собрание Иркутской области четвертого созыва, где был председателем комиссии по контрольной деятельности. В 2007 году избрался в Госдуму РФ пятого созыва, где был членом комитета по энергетике. В 2011 году избрался в Госдуму РФ шестого созыва, является заместителем председателя Комитета Госдумы по энергетике.
В 2015 году победил во втором туре единоросса Сергея Ерощенко и стал губернатором Иркутской области. Подполковник запаса. Каким образом получено это звание, Сергей Левченко умалчивает. Для получения этого звания необходимо закончить высшее специализированное военное учебное заведение. Первый раз был женат на Людмиле Арестовой, состоит с ней в разводе. Вторая жена - Наталья Соловьева, директор и совладелец нескольких фирм Сергея Левченко. Дочь - Татьяна Мордуева, директор ООО "Издательский центр Салют". Сын - Андрей Левченко, генеральный директор ЗАО "Стальконструкция".
Ушел в отставку с поста губернатора Иркутской области 12 декабря 2019 года.