Он родился в Саратове 23 февраля 1951 г. В 1968 г. окончил среднюю школу № 15, в 1973 г. — физический факультет Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского. Альпинизмом начал заниматься в 1971 г. в университете — в обществе «Буревестник». 

 
В 1980 г. выполнил норматив мастера спорта СССР и переключился на спортивную карьеру. Работал инструктором, тренером, спасателем, гидом по альпинизму в различных альпинистских лагерях на Кавказе, Памире, Тянь-Шане. 

В 1983 г. являлся инструктором-методистом 1-й категории — провел более 1000 учебных дней по подготовке альпинистов. 

Сергей Богомолов первый и единственный российский претендент на «Корону Гималаев», совершивший восхождение на 13 из 14 восьмитысячников планеты. Двенадцатый пик — Манаслу (его еще называют Горой печали) четыре раза возвращал путешественника, не пуская к вершине. Увенчалась успехом только пятнадцатая попытка, в 2006 г. 

 
Более двадцати лет Богомолов готовился покорить Аннапурну (Гималаи), это было для него делом чести. Коварную вершину в Непале называют «Неспящей богиней». Она долго не давалась ему: в 2007 г. Богомолов едва не погиб на ее склонах, не дойдя до вершины несколько сотен метров. Тогда он подумал, что больше сюда не вернется, но возвратился на следующий год, чтобы вновь столкнуться с неудачей: на финальном этапе отморозил пальцы на руках. Он покорил вершину лишь с четвертой попытки. Это произошло в 2010 г. 

В программе «Семь вершин» отметился на высших точках Европы (Эльбрус), Азии (Эверест), Африки (Килиманджаро), Южной Америки (Аконкагуа) и Северной Америки (Мак-Кинли).