1979 р. закінчив хімічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка. З 1979 р. був співробітником відділу хімії білків Інституту молекулярної біології і генетики НАН України, де під керівництвом проф. С.Б. Серебряного займався синтезом інгібіторів протеаз. З 1983 р. увійшов до складу групи синтезу олігонуклеотидів, а з 1985 р. почав працювати в лабораторії синтезу і визначення біоспецифічних препаратів того ж Інституту. У 1993 р. захистив дисертацію на ступінь кандидата хімічних наук, яка була присвячена синтезу та вивченню олігонуклеотидів, модифікованих залишками пептидів. Робота виконувалась у Новосибірському інституті біоорганічної хімії (Росія) під керівництвом проф. В. Заритової. З 1993 р. працював у відділі хімії нуклеїнових кислот ІМБіГ НАН України, його дослідження були присвячені синтезу кон'югатів пептидів з олігонуклеотидами. У 1996 р. Сергій Ярмолюк очолив групу хімії нуклеїнових кислот ІМБіГ НАН України.
Докторську дисертацію на тему «Дизайн флуоресцентних зондів на основі ціанінових барвників для нуклеїнових кислот та білків» захистив у червні 2005 року в спеціалізованій вченій раді при Інституті біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України. У 2006 р. Сергію Ярмолюку присвоєно звання професора з біоорганічної хімії.
Нині він обіймає посаду завідувача відділу комбінаторної хімії Інституту молекулярної біології і генетики НАН України, є членом Постійного комітету з організації конференцій з методів та застосування флуоресцентних зондів (Permanent Steering Committee (PSC) of the Conference on Methods and Applications of Fluorescence (MAF), Комісії барвників для біологічного застосування при Рочестерському університеті, США (Biological Stain Commission, University of Rochester, Medical Center), заступником головного редактора журналу біоорганічної і біологічної хімії «Ukrainica Bioorganica Acta», членом редколегії журналу Biotechnic & Histochemistry (Великобританія).
Сергій Ярмолюк є співавтором близько 250 статей, опублікованих у наукових журналах. Його наукові інтереси пов’язані з розробкою флуоресцентних зондів для гомогенної детекції біополімерів, вивчення механізмів взаємодії ціанінових барвників з нуклеїновими кислотами та білками. Сергієм Ярмолюком вперше були запропоновані β-модифіковані ціанінові барвники для детекції нуклеїнових кислот, розроблені модель напівінтеркаляції ціанінів у ДНК і принцип ефекторних груп для конструювання зондів для флуоресцентного визначення біополімерів.
Він був керівником низки наукових проектів і контрактів з: Ліверморською національною лабораторією (США, 2001); фірмою Active Motif Chromeon Gmb (Німеччина, 2001, патент US2003175988); три контракти з відділом досліджень та розвитку Fluka Chemie GmbH (Швейцарія) протягом 2001-2005 рр. (патент US2006207881); Bio-Rad Laboratories (2005, патент Application WO 2008/027821 A1); Нью-Йоркським державним університетом у Буффало (США, 2004) в рамках УНТЦ.