Народився в 1957 році в селі Прибережне Житомирської областi в родинi українського письменника Миколи Ярмолюка. Сім’я частенько переїжджала з одного районного містечка області в інше, що було пов’язано з професією батька, журналіста. Ярмолюки протягом певного часу жили в Баранівці, потім – у Дзержинську і, нарешті, у Володарськ-Волинську Житомирської області, де Сергій в 1974 році закінчив із золотою медаллю десятирічку. Хімією хлопець почав цікавитися у старших класах, спочатку по-дитячому, виготовляючи саморобні петарди і вибухові суміші. Поступово це захоплення стало серйозним. Він почав наполегливо самостійно вчитися хімії, читати книжки, які міг купити в невеликій книгарні провінційного містечка. І як результат наполегливої праці – у 1974 році Сергій посів друге місце на обласній олімпіаді юних хіміків. У тому ж році отримав диплом і почесну грамоту на республіканській олімпіаді, що відбувалася в Одесі. Усе це стало приємною несподіванкою не лише для його батьків, а й для вчительки хімії.
У 1974 році Сергій вступив на хімічний факультет Київського державного університету імені Тараса Шевченка, де слухав лекції професорів А.М. Голуба, Ф.С. Бабічева та інших видатних українських вчених. Матеріали його дипломної роботи, що була виконана під керівництвом професора О.В. Стеценка, лягли в основу першої статті «Бензоімідазоціаніни», опублікованої в «Українському хімічному журналі».
У 1979 році випускник кафедри органічної хімії (спеціалізація «хімія природних сполук»), Сергій Ярмолюк, почав працювати молодшим інженером у відділі хімії білка Інституту молекулярної біології та генетики АН УРСР (ІМБіГ). У радянські часи ставлення до науковців, а особливо молодих, було досить своєрідним. Після розподілення на роботу в ІМБіГ Сергій два місяці працював будівельником на реконструкції фонтану на Хрещатику, що біля Пасажу, оскільки Київ готувався до літньої олімпіади 1980 року. Після будівельної «практики» він разом з іншими молодими вченими ІМБіГ місяців зо два плідно трудився в яблуневих садках і на помідорних плантаціях приміських колгоспів. Потім, коли на полях стало холодно і морозно, молоді науковці перебралися в тепле приміщення овочевої бази Московського району столиці і сортували напівгнилі овочі для киян. Лише після нового року молоді вчені, зробивши запаси овочів і фруктів у погрібках, повертались у рідний інститут працювати за спеціальністю. Щороку після літньої відпуски цикл осінніх колгоспно-овочевобазових робіт повторювався.
У ті часи проф. С.Б. Серебряний у своєму відділі хімії білка зібрав високопрофесійну команду хіміків-біоорганіків, серед них проф. В.К. Кібірєв, О.А. Гершкович, А.Г. Терентьєв, Е.А. Козлов та інші. У колективі панувала дружня, творча атмосфера, що сприяло швидкому професійному зростанню молодих учених. Відділ працював злагоджено, як годинниковий механізм, проводились наукові семінари, аспіранти і пошукувачі захищались у великій кількості, пишучи добротні кандидатські дисертації.
Проте така розмірена і прогнозована доля була не до душі молодому амбіційному вченому. Сергієві хотілося спробувати себе в чомусь новому і незвіданому. І 1985 року він вступає в заочну аспірантуру до Новосибірського інституту біоорганічної хімії, де освоює новий напрям – синтез олігонуклетидів для потреб біотехнології (ця галузь науки тоді тільки почала зароджуватися в Україні). Паралельно почав працювати в щойно створеній лабораторії олігонуклеотидного синтезу ІМБіГ, яку очолював Д.М. Федоряк. Через деякий час дружними зусиллями співробітників цієї лабораторії були синтезовані перші українські олігонуклеотидні сімки й вісімки.
На той час Новосибірський інститут біоорганічної хімії СВ РАН СРСР був одним з найкращих наукових центрів біоорганічної хімії Радянського Союзу. Цей інститут був забезпечений прекрасним іноземним обладнанням, комп’ютерами, мав практично необмежені квоти валюти на закупівлю реактивів, доступ до закордонної наукової літератури. Працюючи там, Сергій мимоволі порівнював це з умовами роботи в рідному ІМБіГ, де будь-який синтез потрібно було починати з «вугілля та міді», а єдиним імпортним реактивом була смола, очевидно, Меррифільда угорської фірми «Reanal». Старші колеги розповідали, що московський Інститут біоорганічної хімії, очолюваний членом ЦК КПРС Ю.А. Овчинніковим, отримував стільки валюти на придбання обладнання та реактивів, скільки вся Академія наук України.
У новосибірській лабораторії Сергій під керівництвом проф. В.П. Заритової працював над розробкою нових методів синтезу олігонуклеотидпептидів. Ця лабораторія за якістю виконання наукових робіт, методами управління, рейтингом публікацій наближалась до найкращих західних. Усе це було цікаво, незвично, дуже подобалось, легко запам’ятовувалось і через багато років було застосовано С. Ярмолюком в організації власної лабораторії, а потім і відділу.
Наприкінці 80-х років, у часи горбачовської перебудови, Сергій Миколайович з головою поринає в національно-визвольні рухи, що народжувалися тоді в Україні. Восени 1989 року він організовує в ІМБіГ осередки Товариства української мови ім. Тараса Шевченка та Народного руху України за перебудову, бере участь у конференціях, мітингах, зборах, виборах. Через деякий час усвідомлює, що політика – це не його покликання, і повертається до активної наукової роботи. Відтоді він не написав жодної наукової публікації російською мовою, лише українською або англійською, яких нині у нього понад 260.
У 1993 р. С. Ярмолюк захистив кандидатську дисертацію «Синтез та вивчення олігонуклеотидів, модифікованих залишками пептидів». Це була одна з перших дисертацій з біоорганічної хімії, написаних українською мовою.
Після захисту дисертації, будучи співробітником лабораторії синтезу і визначення біоспецифічних препаратів, очолюваної І.В. Алексєєвою, Сергій Ярмолюк багато працював зі студентами, відбираючи найбільш здібних і талановитих, користуючись принципом: краще самому навчити з нуля, ніж перевчити навченого кимось. Поступово сформувалася група хімії нуклеїнових кислот ІМБіГ, яку Сергій Миколайович очолив у 1996 році.
У цей час учений припиняє наукові роботи, пов’язані з олігонуклеотидним синтезом, і починає працювати над розробкою флуоресцентних зондів для визначення нуклеїнових кислот і білків. Молодий енергійний колектив за десять років виконав величезний обсяг наукової роботи, тому впевнено можна говорити про формування нового наукового напрямку, наукової школи. Протягом цього періоду опубліковано понад сто статей, з них третина в таких іноземних журналах, як «Journal of Fluorescence», «Spectrochemica Acta», «Dyes and Pigments», «Bioorgranic Medical Chemical Letters», «Journal of Bioconjugate Chemistry» та ін. Спільно із закордонними партнерами взято три патенти США практичного застосування ціанінових барвників для детекції біополімерів. У 2008 році у видавництві «Springer» виходить книга «Heterocyclic Polymethine Dyes», у якій один із розділів присвячено дослідженням українських вчених.
За ці роки підготовлено багато висококваліфікованих спеціалістів, семеро з яких успішно захистили кандидатські дисертації. Учні С. Ярмолюка (В. Ковальська, С. Лукашов, А. Баланда та ін.) і нині плідно працюють в ІМБіГ, продовжуючи традиції своєї наукової школи.
У 2003 р. Сергій Миколайович стає завідувачем відділу ІМБіГ із несподіваною для його інститутських колег назвою – відділ комбінаторної хімії. Дивно, чому б не щось на зразок «флуоресцентних досліджень», чому б спокійно не «розвивати та не поглиблювати досягнуті рубежі»? Та ні, уже вкотре йому хочеться чогось нового і незвіданого.
Ще на початку 2000-х років С. Ярмолюк започатковує новий науковий напрям, пов’язаний із дизайном ліків, здійснюючи свою давню мрію – максимально інтегрувати свій хімічний підрозділ в наукову тематику рідного ІМБіГ. Cпочатку це був синтез потенційних протиракових препаратів, які тестувалися на клітинних лініях в National Anticancer Institute (США). Тестування проводилися надзвичайно довго, протягом року, було інтелектуальною власністю американської установи. Невдовзі вчений відмовляється від такої «співпраці» і створює першу українську замкнену наукову структуру, що базується на засадах сучасного раціонального дизайну ліків. Її утворюють три наукові підрозділи – біоінформатики, біологічного тестування та власне хімічного, комбінаторного синтезу.
Ідея нового для України напряму полягає у використанні молекулярних мішеней (білків, нуклеїнових кислот) для розробки нових ліків. Вважається, що порушення нормального функціонування молекули-мішені в клітині викликає появу тяжких захворювань. Проте, якщо ми заблокуємо синтетичним інгібітором роботу цієї «недисциплінованої» молекули, то організм знову почне нормально функціонувати, вилікується. Зокрема неконтрольована організмом гіперактивність білків-протеїнкіназ спричинює онкологічні захворювання. Тому на пошук інгібіторів протеїнкіназ як потенційних протиракових препаратів спрямовано близько 20-30 % програм із розробки ліків фармацевтичних компаній в усьому світі.
Протягом останніх десяти років відділ комбінаторної хімії ІМБіГ став світовим лідером у розробці інгібіторів казеїнкінази 2 як потенційних протиракових препаратів. Про це свідчить ряд публікацій у «Journal of Computational Chemistry», «Journal Medical Chemistry» і «Biochimica et Biophysica Acta». С. Ярмолюком сформовано унікальний колектив програмістів, біологів, медичних хіміків. Створено перший вітчизняний український програмний комплекс для пошуку та дизайну ліків, розроблено високоактивні інгібітори протеїнкіназ, на основі яких можуть бути створені нові ліки.
За результатами багаторічних досліджень у 2005 році С. Ярмолюк захистив докторську дисертацію «Дизайн флуоресцентних зондів на основі ціанінових барвників для нуклеїнових кислот та білків». У 2006 році йому присвоєно звання професора за спеціальністю «біоорганічна хімія».
Сергій Миколайович є членом редакційної ради журналу «Biotechnic & Histochemistry», американської Biological Stain Commission, програмового комітету MAF (Conference on Methods and Applications of Fluorescence: Spectroscopy, Imaging and Probes) дворічних європейських конференцій. Учений витрачає багато зусиль на громадську діяльність. У 2004 році він засновує перший український журнал з біоорганічної і біологічної хімії «Ukrainica Bioorganica Acta», який має повноцінну Інтернет-версію і видається двома мовами – українською та англійською. На початку 2009 року авторський колектив (В.А. Чирва, С.М. Ярмолюк, Н.В. Толкачова, О.Є. Землякова) завершив рукопис підручника «Органічна хімія» для хімічних факультетів вищих навчальних закладів.