Сергій Плохій народився у Горькому (Нижній Новгород, Росія). Батьки — Микола і Лідія Плохії. Батько був випускником Запорізького технічного інституту. Після закінчення інституту батька відправили за державним розподіленням до Горького, де він повинен був відпрацювати два роки. Тоді і народився Сергій Плохій. Невдовзі після цього родина повернулася до Запоріжжя, де Сергій провів свої дитинство та юність.

1980 року Сергій Плохій закінчив Дніпропетровський державний університет, де отримав спеціальність історика. Тоді під керівництвом Миколи Ковальського зайнявся історією України XVII–XVIII ст. Після цього він вступив на аспірантуру цього ж університету, проте через певні труднощі зі захистом наукових робіт на українську тематику йому довелося перевестися на історичний факультет Університету Патріса Лулумби у Москві. Згодом він зміг продовжувати свою роботу в Україні і отримав ступінь доктора історичних наук у Київському державному університеті імені Т. Г. Шевченка.

До викладання у Гарварді Сергій Плохій був професором історії в Університеті Альберти та тимчасовим директором Канадського інституту українських студій (CIUS). Потім 10 років працював першим помічником керівника Центру українських історичних досліджень імені Петра Яцика. Багато працював над проектом перекладу Грушевського, зокрема був одним з редакторів трьох томів «Історії України-Руси».

Сергій Плохій мешкає в місті Арлінгтон, штат Массачусетс.