В 1980 году окончил Рыбинский авиационный технологический институт. В 1980—1982 годах служил в Советской Армии.
С 1982 года на комсомольской работе, с 1988 — первый секретарь Ярославского обкома ВЛКСМ.
В 1991—1996 годах в администрации Ярославской области: председатель комитета по делам молодёжи, госсекретарь, заместитель, первый заместитель губернатора.
В 1997 году окончил Российский государственный гуманитарный университет.
В 1996—2000 годах председатель Государственной думы Ярославской области, одновременно по должности член Совета Федерации Федерального Собрания Российской Федерации.
В 2000—2007 годах заместитель полномочного представителя Президента РФ в Уральском федеральном округе.
С 25 декабря 2007 года губернатор Ярославской области.
4 июня 2008 года награждён государственным орденом Почёта. 12 сентября 2010 года награждён орденом РПЦ святого благоверного князя Даниила Московского II степени
В октябре 2010 года С. А. Вархуков выступил с заявлением о передаче Ростовского кремля Русской православной церкви и выселении музейных фондов музея-заповедника «Ростовский кремль» в новое, ещё не построенное, здание, и создании в помещениях кремля архиерейской резиденции и «Всероссийского центра венчания и крещения». Этот проект, однако, вызвал критику со стороны интернет-общественности, а также отдельных специалистов по охране и изучению объектов искусства.