Родился 29 июля 1972 года в городе Североуральске Свердловской области в семье водителя-профессионала Бориса Петровича Горобченко и инженера-экономиста Нины Александровны (урождённая Сафонова).
В школе был «хорошистом». Занимался волейболом, посещал музыкальную школу.
В 1989—1991 годах учился в Санкт-Петербургском государственном горном институте, из которого ушёл и поступил в театральный ВУЗ — Ленинградский государственный институт театра, музыки и кинематографии (ЛГИТМиК) имени Н. К. Черкасова.
После окончания института до 2000 года был актёром Санкт-Петербургского академического театра комедии имени Н. П. Акимова.
В 2000—2002 годах — актёр Московского государственного театра «Ленком».
С 1998 года начал сниматься в кино. Популярность пришла после роли Пети «Рамы» в фильме «Бумер» (2003) режиссёра Петра Буслова. Ради съёмок в этой картине актёр был вынужден уйти из театра «Ленком».
В июле 2006 года, во время премьерного показа первого сезона телесериала «Офицеры», люди из Службы внешней разведки России подарили Сергею Горобченко боевой кортик за исполнение роли спецназовца Александра Гайдамака.
Для роли хоккеиста Михаила Будника в полнометражном игровом фильме «Миннесота» (2009) режиссёра Андрея Прошкина Сергей Горобченко в течение месяца обучался игре в хоккей у Олимпийского чемпиона Эдуарда Иванова. Позднее полученные навыки пригодились актёру при съёмках сериала Молодёжка.
30 октября 2009 года Сергей Горобченко получил многочисленные травмы из-за падения с мотоцикла во время исполнения трюка на съёмках телесериала «Москва. Центральный округ 3» в Москве и был доставлен в институт скорой помощи имени Н. В. Склифосовского. Обследование выявило, что у актёра ушиб, гемартроз коленного сустава, перелом левой большой берцовой кости и частичное повреждение коленного сустава.
29 июля 2012 года лидер политической партии «Справедливая Россия» Сергей Миронов на своём официальном сайте поздравил Сергея Борисовича Горобченко с 40-летним юбилеем.
В 2022 году поддержал вторжение России на Украину, снялся в ролике для государственного телеканала Россия-24 На втором курсе ЛГИТМиКа от однокурсницы Александры Флоринской у Сергея Горобченко родился сын Глеб (род. 14 октября 1997).
В 2008 году женился на актрисе Полине Невзоровой (род. 9 октября 1981), дочери телеведущего Александра Невзорова.
Дети:
сыновья — Александр (род. 2008), Пётр (род. 2010) и Иван (род. 2012).
10 интересных фактов о Сергей Горобченко
Сергей родился в городе Североуральск Свердловской области. Семья артиста не имеет отношения к миру театра и кино. Мама трудилась инженером в горнодобывающей промышленности, а отец всю жизнь работал шофером. Родители разошлись, когда сын был маленьким, но до сих пор поддерживают дружеские отношения.
Героем и примером мужества для Горобченко был и остается его дед по папиной линии, который прошел 5 войн и многому научил мальчика.
В школе актер учился хорошо, параллельно он посещал музыкальную школу по классу фортепиано. Именно в музыкальной школе Сергей впервые соприкоснулся с театром, он активно участвовал в многочисленных спектаклях, которые ставили преподаватели.
В 13 лет Горобченко самостоятельно обучился игре на гитаре. Эти навыки пригодились артисту во время иммиграции в Америку, он играл на гитаре в русском ресторане, чтобы подзаработать и просто отвести душу.
Также Сергей с детства много занимался спортом, особенно ему нравилась волейбольная секция.
Горобченко глубоко верующий человек, его семья регулярно посещает храм.
После школы артист сначала поступил с петербургский горный институт, причем все экзамены сдал на отлично. Но вскоре Сергея все-таки перетянула актерская профессия и он поступил в ЛГИТМиК.
Сейчас актер женат во второй раз. Первой супругой Горобченко была известная актриса Александра Флоринская. В браке родился сын Глеб. Экс-супруги сохранили приятельские отношения.
После развода Сергей никак не мог решиться на второй брак, он больше не хотел ошибиться. В новые отношения артист вступил лишь после благословения сына, который заметил, что папе «хватит быть одному».
Второй избранницей Горобченко стала актриса Полина Невзорова, которая подарила мужу еще 5 детей – Александра, Петра, Ивана, Анну и Софью.