Навчався у Київському національному університеті театру, кіно і телебачення ім. І.К. Карпенка-Карого у майстерні Євгена Сивоконя.

Був аніматором, креативним продюсером, оператором, режисером, сценаристом, художником-постановником, директором із виробництва. Також під час роботи на студії «Червоний собака» багато часу приділяв освіті аніматорів-початківців, а ще був викладачем із комп’ютерних технологій виробництва у аніматорів у КНУТіТБ їм. Карпенко-Карого.

У 2005 році разом з Оленою Голубєвою заснував студію анімації «Червоний собака» спочатку як навчальну. З 2012 року студія стала виробничою.

У 2013 році як режисер-постановник і оператор створив свій дебютний 15-хвилинний анімаційний фільм «Дівчинка із риб’ячим хвостом», який вперше в Україні зробили в стерео 3D.

У 2020 році вийшов повнометражний анімаційний фільм «Віктор-Робот», до створення якого Сергій долучився як директор із виробництва та співпродюсер. Того ж року стрічка отримала приз глядацьких симпатій 11-го Одеського міжнародного кінофестивалю й була визнана Найкращим анімаційним фільмом за версією 3-ї Національної премії кінокритиків «Кіноколо».

Крім цього, Сергій Мельніченко створив авторські режисерські кліпи для пісень гурту «Воплі Відоплясова».

Під керівництвом Сергія було створено понад 20 короткометражних анімаційних фільмів і один повнометражний.

Помер від серцевої недостатності.