Sergei Polunin se formó en la Escuela Coreográfica Estatal de Kiev antes de unirse a la British Royal Ballet School, a los 13 años, con una beca de la Fundación Rudolf Nuréyev. En 2009 se convirtió en uno de los principales solistas de la compañía, y en 2010, a los 19 años, ascendió a bailarín principal. Polunin dejó la Royal Ballet en 2012 para convertirse en bailarín principal del Teatro Musical Académico de Stanislavsky y Nemirovich-Danchenko de Moscú y en solista invitado del Teatro Estatal Académico de Ópera y Ballet de Novosibirsk.

Entre sus papeles para el Royal Ballet destacan Dances at a Gathering y Rhapsody, Solor (La bayadera), Des Grieux (Manon), el príncipe (El Cascanueces), el príncipe Désiré (La Bella Durmiente), el príncipe (Cenicienta) y Lensky (Onegin). Creó el papel de Sota de corazones en Alicia en el País de las Maravillas, de Christopher Wheeldon, y regresó a la compañía como artista invitado en 2013 para interpretar a Armando (La dama de las camelias) junto a Tamara Rojo. En 2011 participó en la puesta en escena de El fantasma de la ópera con motivo del 25 aniversario de la obra en el Royal Albert Hall. Entre sus papeles con el Ballet Stanislavsky se incluyen el príncipe Sigfrido (El lago de los cisnes), Albrecht (Giselle), Franz (Coppélia), Basilio (Don Quijote) y Rodolfo (Mayerling).

En diciembre de 2017, Polunin regresó al Coliseo de Londres con Project Polunin para presentar Satori, un programa multimedia mixto de danza. Entre estas representaciones cabe destacar First Solo, un nuevo ballet corto protagonizado por Polunin y creado por el premiado coreógrafo Andrey Kaydanovskiy; el estreno en Londres de la suite de ballet Scriabiniana, de Kasyan Goleizovsky; y por último el estreno mundial de Satori, ballet coreografiado por Polunin y dirigido por Gabriel Marcel del Vecchio, con partitura original del multipremiado compositor Lorenz Dangel.

Polunin ha participado en dos vídeos musicales dirigidos por David La Chapelle: There Must be More to Life Than This (tema interpretado por Freddie Mercury y Michael Jackson) y Take Me to Church, de Hozier (con más de 26 millones de visitas en YouTube). Entre sus trabajos para cortometrajes cabe destacar Can I Make The Music Fly?, dirigido por

Bruce Weber para Dior. Polunin ha sido además objeto de un documental biográfico de 2017, Dancer, producido por Gabrielle Tana y dirigido por Steven Cantor.

Entre los trabajos de Polunin para el cine destacan Gorrión rojo (Red Sparrow), Asesinato en el Orient Express (Murder on the Orient Express) y El cascanueces y los cuatro reinos (The Nutcracker and the Four Realms).

Entre los premios que ha recibido se encuentran el Premio de Lausana, la Sexta Competición Internacional de Ballet Serge Lifar, el Joven Bailarín Británico del Año, el Youth America Grand Prix, el premio del Círculo de Críticos al mejor bailarín masculino del año y al mejor bailarín clásico masculino, y también fue nominado al premio del Círculo de Críticos al Mejor Bailarín y a una Máscara de Oro.