Легенда украинского хоккея. В 1998 году стал лучшим бомбардиром WHL, и был назвал лучшим игроком WHL и всей CHL, объединяющей три лучшие канадские молодёжные хоккейные лиги, тогда же дебютировал в NHL. В 2001 году с Saint John Flames завоевал Calder Cup, который вручается чемпиону AHL. Всего в AHL провёл 362 игры. В NHL выступал в составе Calgary Flames и St. Louis Blues, сыграв 64 игры. 

Выступал в российских Суперлиге за «АК Барс» и «Сибирь», в КХЛ за «Северсталь», «СКА», минское «Динамо». Играл в белорусской Экстралиге за киевский «Сокол», в чемпионате Украины, ВХЛ и КХЛ за «Донбасс».

Участник матчей звёзд WHL, AHL, Кубка Шпенглера, чемпионата Украины. Обладатель Континентального Кубка. В составе сборной Украины выступал на чемпионатах мира в Топ-дивизионе, Дивизионе IA, IB, на Олимпийских играх.

В августе 2016 года назначен на должность исполнительного директора УХЛ. С ноября 2018 года по август 2021 года занял должность генерального директора Лиги.

В декабре 2021 года Сергей Варламов был назначен на пост генерального директора хоккейной Суперлиги Украины.