Сергей Тихонов родился 25 декабря 1950 года в Москве.
Он сыграл в кино всего три роли, но его работы надолго запомнилась зрителям. Свою первую роль 13-летний Сергей сыграл в фильме режиссера Леонида Гайдая «Деловые люди», снятом в 1963 году на «Мосфильме», вторую — в фильме «Сказка о Мальчише-Кибальчише», снятом на киностудии имени Довженко в 1964 году, и третью — в фильме «Дубравка», снятом в 1967 года на Одесской киностудии.
На роль Мальчиша-Плохиша он был приглашён режиссёром Евгением Шерстобитовым, которому Серёжа был знаком по роли Джонни Дорсета в новелле «Вождь краснокожих» в фильме-трилогии Леонида Гайдая «Деловые люди». Евгений Шерстобитов, наблюдавший съёмки с Тихоновым, сказал тогда своему помощнику: «Лучшего Плохиша нам не найти». В одном из интервью режиссёр отозвался об актёре: «Не надо быть режиссёром, чтобы увидеть, каким редким актёрским даром обладал этот ребёнок».
Артист Сергей Мартинсон сомневался, стоит ли ему играть в фильме «Сказка о Мальчише-Кибальчише», но когда познакомился с Серёжей и разыграл с ним этюд: «Пряник медовый дашь?.. А два дашь?.. А теперь халву давай, да побольше, а то не скажу…», — согласился.
Вскоре после окончания школы Сергей попытался поступить во ВГИК, но не поступил, и был призван в армию, а в 1971 году молодой актер трагически погиб.
Есть предположение, что обстоятельства гибели Сергея были связан с тем, что он был очень азартным человеком, мастерски играл в карты, и после армии увлекся игрой на ипподроме, так как это было единственное место в Москве, где было разрешено играть на деньги. Сергей задолжал местным авторитетам деньги, не смог отыграться, и его бросили под трамвай.
Режиссер Евгений Шерстобитов, снявший фильм «Сказка о Мальчише-Кибальчише» в интервью рассказывал: «Сережа? Так он давно уже умер. Точнее, погиб. Он после меня снялся только в одном еще фильме в Одессе и вскоре после этого погиб. В 1971 году. Мне рассказывали, что он связался с какой-то нехорошей компанией и то ли сам попал под трамвай, то ли его толкнули, история тут неясная. Меня предупредили тогда, чтобы я особо не расспрашивал ни у кого об этом, слишком уж темная история. А актер он был великолепный, от Бога. И заводила настоящий. Ведь у нас снималось множество мальчишек, а заводилой был даже не исполнитель роли Кибальчиша Сережа Остапенко, а именно он, краснопресненский московский Плохиш. Он ребят и купаться таскал, и розыгрыши всякие устраивал, на месте вообще не сидел. И работать с ним было легко. Мы когда пригласили на картину Мартинсона, а это уже была звезда союзной величины, он сначала сомневался, но потом посмотрел материал, познакомился с Сережей, с которым ему предстояло играть основные сцены (помните: „А пряник медовый дашь? А два дашь? А теперь халву гони, а то ничего не скажу…“), и согласился. И они с Сережей стали чуть ли не друзьями».
Когда журналисты связались с вдовой Гайдая Ниной Гребешковой, она рассказала: «Вы знаете, я вам про Сережу ничего рассказать не могу. Я знаю только, что он погиб где-то в конце шестидесятых. Если бы Леонид Иович был жив, он бы вам многое рассказал, как он с ним работал, как роль вытягивал. Вообще он его любил. Сначала ведь на роль Джонни планировали Румянцеву, но, когда Гайдай увидел Сережу, он сразу решил, что Вождя Краснокожих будет играть именно он. И Леонид Иович был очень расстроен, когда узнал, что Сережа так нелепо погиб».