Родился 2 марта 1930 года в Середина- Буде (ныне Сумской области Украины) в семье железнодорожника. В 1932 году его семья переехала под Москву, в посёлок Подлипки. В 1954 году окончил биологический факультет МГУ имени М. В. Ломоносова. Биофизик, занимался изучением клеточных мембран, специалист в области нейронных сетей. Жил и работал в Москве. Опубликовал более 60 научных работ; в 1964 году получил ученую степень кандидата биологических наук. В годах работал в МГУ заведующим отделом математических методов в биологии межфакультетской лаборатории. Ковалёв начал заниматься общественной деятельностью с середины 1950-х годов он принимал участие в борьбе против признанного впоследствии антинаучным «учения Лысенко», выступая в защиту генетики.

В 1966 году организовал в Институте биофизики сбор подписей под обращением в Президиум Верховного Совета СССР в защиту А. Синявского и Ю. Даниэля, которые были осуждены за «антисоветская пропаганда», за публикацию своих художественных произведений за границей. В 1969 году уволен с должности заведующего отделом математических методов в биологии межфакультетской лаборатории МГУ. С 1968 года стал активным участником движения в защиту прав человека в СССР. В мае 1969 года вошёл в состав «Инициативной группы защиты прав человека в СССР» первой независимой правозащитной общественной ассоциации в стране. С 1971 года один из ведущих участников издания «Хроники текущих событий».

28 декабря 1974 года Ковалёв был арестован по обвинению в «антисоветской агитации и пропаганде». В декабре 1975 года суд в Вильнюсе приговорил его к 7 годам лишения свободы и 3 годам ссылки (на суд приезжал А. Д. Сахаров). Срок отбывал в колонии строгого режима «Пермь-36» и в Чистопольской тюрьме; в ссылку был отправлен в Магаданскую область. По отбытии срока ссылки поселился в городе Калинине (Тверь). В Москву вернулся в 1987 году. До 1990 года работал в Институте проблем передачи информации АН СССР. Сейчас живёт в Москве. Сергей Ковалёв один из героев документального фильма «Они выбирали свободу» (телекомпания RTVi, 2005).

В декабре 1989 года по рекомендации Андрея Сахарова Ковалёв выдвинул свою кандидатуру и на выборах в марте 1990 года был избран народным депутатом РСФСР от одного из московских округов в первом туре голосования. В годы член Верховного Совета РСФСР, член Президиума Верховного Совета, председатель парламентского Комитета по правам человека. Ковалёв был одним из авторов Декларации прав человека и гражданина, принятой в январе 1991 года. Комитет по правам человека под его председательством провёл через Верховный Совет законы «О реабилитации жертв политических репрессий» (1991), «О чрезвычайном положении» (1991). 12 декабря 1991 г., являясь членом Верховного Совета РСФСР проголосовал за ратификацию беловежского соглашения о прекращении существования СССР.

В годы депутат Государственной Думы (в 1993 и 1995 годах избирался соответственно в Варшавском и Чертановском одномандатных округах Москвы, в 1999 году по федеральному списку избирательного блока «Союз правых сил»). В январе 1994 года выдвигался на должность председателя Государственной Думы. В годы председатель Комиссии по правам человека при Президенте Российской Федерации. В январе 1996 года Сергей Ковалёв в открытом письме на имя Бориса Ельцина заявил о своей отставке с поста председателя Комиссии, а также выходе из Президентского совета. В годы первый Уполномоченный по правам человека в Российской Федерации. Был одним из учредителей движения «Выбор России» и партии «Демократический выбор России» (ДВР). До 2001 года член политсовета ДВР. После самоликвидации ДВР отказался вступать в партию СПС (Союз правых сил), оставаясь при этом членом её фракции в Государственной Думе.

В годы член Парламентской Ассамблеи Совета Европы. В декабре 2000 года фракция СПС в Госдуме понизила Ковалёва в должности: вместо представителя СПС в делегации России в ПАСЕ он стал заместителем представителя (не имеющим права голоса). На президентских выборах 2000 года Ковалёв поддерживал Явлинского, заявив, что Владимир Путин это вектор, который «направлен на конструирование авторитарного полицейского государства, где у власти в явном или, что того хуже, в не вполне явном виде будут присутствовать спецслужбы».

На выборах в декабре 2003 года баллотировался в Государственную Думу по региональному списку Российской демократической партии «Яблоко» в Санкт-Петербурге. Партия «Яблоко» не преодолела пятипроцентный барьер и не прошла в состав Государственной Думы. 28 сентября 2006 года Ковалёв вступил в партию «Яблоко». 29 сентября 2006 года избран сопредседателем «правозащитной фракции» партии «Яблоко». 10 августа 2008 года осудил позицию российского руководства в грузино-южноосетинском конфликте. В марте 2010 г. подписал обращение российской оппозиции «Путин должен уйти».

1992 Медаль Памяти 13 января (Литва) 1996 Премия Международной Лиги прав человека Чешская премия «Человек в беде» Нюрнбергская премия по правам человека Премия по правам человека Норвежского Хельсинкского Комитета и 1996 номинировался на соискание Нобелевской премии мира орден «Рыцарь чести» Чеченской Республики Ичкерия (вручен в Москве в январе 1997) Почётный доктор медицины Каунасской Академии медико-биологических наук почетная докторская степень в области прав человека Эссекского университета Большой командорский крест ордена Великого князя Литовского Гядиминаса 2000 Премия Кеннеди Премия Улофа Пальме 2006 Офицер ордена Почётного легиона (Франция) Премия «За свободу мысли» имени Андрея Сахарова 2009 награждён Большим Крестом ордена Заслуг перед Республикой Польша указом президента Польши Леха Качиньского «за выдающиеся достижения в области защиты прав человека и продвижения гражданских свобод» (вручены 2010) 2011 «Премия Свободы» (Литва)