Сергей Юрьевич Полонский родился 1 декабря 1972 года в Ленинграде. В 1984 году вместе с семьей переехал на Украину, в Горловку.

В 2000 году окончил Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет по специальности «Экономика и управление на предприятии строительства», получив квалификацию экономиста-менеджера.

Кандидат экономических наук (2002; тема диссертации «Формирование функциональных стратегий материально-технического снабжения строительного производства»). В 2008 году отказался от защиты своей докторской диссертации перед Высшей аттестационной комиссией, сославшись на то, что его «собирались завалить». Провел так называемую защиту диссертации в личном блоге (тема: «Стратегическое управление прибыльным ростом корпорации с учетом динамики потребительской ценности»), передает ДВ-РОСС со ссылкой на ТАСС.

В 1990-1992 годах проходил срочную службу зенитчиком в 21-й отдельной десантно-штурмовой бригаде. После окончания службы занимался частным бизнесом на Украине.

В 1994 году стал одним из основателей в Санкт-Петербурге компании «Строймонтаж», которая изначально занималась отделочными работами, а с 1996 года начала строительство жилья. В 1997 года Полонский занял должность генерального директора компании.

В 2000 году возглавил московское подразделение «Строймонтажа», на основе которого в 2004 году была образована Mirax Group. Под руководством Полонского она стала одной из крупнейших девелоперских российских компаний. Среди ее проектов — деловой комплекс «Федерация» в международном деловом центре «Москва-Сити», бизнес-центры Mirax Plaza, «Поклонная, 11» и «Адмирал», жилые комплексы «Форт Кутузов», «Кутузовская Ривьера», «Рублевская Ривьера», Mirax Park, «Золотые ключи 1, 2», Well House и ряд других.

В 2003 году Полонский был избран вице-президентом Российской академии бизнеса и предпринимательства. В 2005 году стал одним из инициаторов образования и первым вице-президентом Ассоциации строителей России.

В 2009-2010 годах являлся заведующим кафедрой «Менеджмент в девелопменте» Московской финансово-промышленной академии (ныне — Московский финансово-промышленный университет «Синергия»). Выступал с лекциями по предпринимательству, стратегии успеха в бизнесе и др., проводил мастер-классы для студентов российских вузов.

В марте 2011 года было принято решение о прекращении существования бренда Mirax, после чего все структуры компании перешли под управление ООО «Nazvanie.net». Полонский стал его акционером и инвестором. В декабре 2011 года ООО «Nazvanie.net» было переименовано в девелоперскую компанию «Поток» (Potok), основным владельцем которой и стал бизнесмен. К 2013 году компания продала все свои активы, кроме башни «Федерация». В декабре 2013 года для погашения долгов перед Сбербанком и этот объект был передан новому инвестору — Aeon Corporation Романа Троценко.

В 2012 году Полонский уехал из России в Камбоджу.

В сентябре 2012 года главное следственное управление Главного управления МВД РФ по Москве возбудило уголовное дело в отношении сотрудников Mirax Group по иску дольщиков, пострадавших от действий компании. По данным следствия, в 2007-2008 годах Mirax Group заключила договоры купли-продажи квартир комплекса «Кутузовская миля» (район Фили-Давыдково, Москва), которые не соответствовали ранее утвержденной проектной документации.

Mirax Group собрала с дольщиков 5,7 млрд руб., но в стройку вложила меньше половины этих средств. Строительство было заморожено в 2009 году, возведены лишь пять этажей здания. Пострадавшими были признаны более 80 граждан. Дело возбуждено по ч. 4 ст. 159 Уголовного кодекса РФ («Мошенничество, совершенное в особо крупном размере или повлекшее лишение права гражданина на жилое помещение»).

В декабре 2012 года Полонский был арестован в Камбодже местной полицией: по версии следствия, бизнесмен и его друзья устроили дебош на катере, заперев капитана в каюте, они заставили команду прыгать в воду. Задержанным вменяли две статьи — умышленное причинение физического вреда здоровью и незаконное удержание людей. В январе 2013 года камбоджийские моряки отозвали свое заявление в обмен на денежную компенсацию. 3 апреля того же года Полонский был освобожден из тюрьмы под подписку о невыезде. В конце мая 2013 года в ряде СМИ появилась информация, что он покинул Камбоджу и жил в Израиле и Швейцарии, однако затем вернулся в Камбоджу.

14 июня 2013 года Следственный департамент МВД РФ заочно предъявил Полонскому обвинение в мошенничестве при строительстве жилого комплекса «Кутузовская миля». 25 июля того же года он был объявлен в международный розыск.

2 августа 2013 года представитель МВД сообщил, что правоохранительные органы ряда зарубежных стран также начали расследование в отношении Полонского, в том числе по подозрению в легализации доходов, полученных преступным путем.

13 августа 2013 года Тверской суд Москвы вынес решение о заочном аресте бизнесмена.

11 ноября 2013 года он был арестован в Камбодже по запросу Интерпола, однако в середине января 2014 года отпущен на свободу. 25 апреля 2014 года Верховный суд Камбоджи отказал в экстрадиции Полонского в Россию. После отказа в экстрадиции бизнесмен попытался получить камбоджийское подданство, но безрезультатно.

20 марта 2014 года в России против него было возбуждено еще одно уголовное дело — по факту хищения 256 млн руб. у дольщиков другого московского жилого комплекса, «Рублевская Ривьера» (район Кунцево).

15 мая 2015 года Полонский был арестован камбоджийской полицией на собственной яхте близ города Сиануквиль за нарушение иммиграционного законодательства. 17 мая бизнесмена экстрадировали в Россию. Он был помещен в СИЗО «Матросская тишина» (Москва). Апелляцию адвокатов бизнесмена о переводе его под подписку о невыезде суд отклонил. Свою вину в мошенничестве Полонский признавать отказался.

В отношении него была проведена психиатрическая экспертиза, по ее итогам 11 июня 2015 года Полонский был признан вменяемым. 21 октября 2015 года Следственный департамент МВД предъявил ему, а также еще пяти фигурантам дела — менеджерам и руководителям Mirax Group — обвинение в окончательной редакции. Всем им инкриминировали хищение чужого имущества путем мошенничества в особо крупном размере (ч. 4 ст. 159 УК РФ). По данным следствия, в 2008-2009 годах Полонский совместно с другими обвиняемыми похитил денежные средства граждан — участников долевого строительства многоквартирных домов жилых комплексов «Кутузовская миля» и «Рублевская ривьера» на 2,4 млрд руб. и 256,46 млн руб. соответственно. Общая сумма похищенного превысила 2,6 млрд руб.

В октябре 2016 года по требованию суда прокуратура переквалифицировала обвинение на более тяжкое — мошенничество, совершенное организованной группой (ч. 4 ст. 159, ч. 2 ст. 33 УК РФ). Рассмотрение дела по существу началось в ноябре 2016 года.

12 июля 2017 года Пресненский суд Москвы приговорил Полонского к 5 годам колонии общего режима и освободил его от наказания в связи с истечением срока давности по делу. Он был освобожден из-под стражи в зале суда.

В разные годы являлся членом Совета по предпринимательству при мэре и правительстве Москвы (2001-2005), организации предпринимателей «Деловая Россия» (2001-2010).

С 2016 года женат на Ольге Дерипаско. От предыдущего брака с Юлией Дрынкиной имеет двух дочерей и сына Миракса.