Сергей Устюгов родился 8 апреля 1992 года в п. Междуреченский Ханты-Мансийского автономного округа.
В 2011 году выиграл спринт и серебро в эстафете на юниорском чемпионате мира.
6 февраля 2011 года дебютировал в Кубке мира, в эстафете попал в десятку лучших.
В 2013 году вместе с командой стал бронзовым призёром в эстафете на Чемпионате мира 2013 года в Валь-ди-Фьемме.
15 декабря 2013 года впервые попал на подиум на этапах Кубка мира, заняв 3 место в спринте свободным стилем на этапе в Давосе.
В январе 2013 года выиграл этап в чешском Нове-Место в спринте свободным стилем.
В 2014 году занял пятое место в финале личного спринта на Олимпийских играх 2014 года в Сочи.
18 января 2015 года победил в командном спринте на этапе Кубка мира в Отепя. На этапе в Рыбинске занял 2 место в спринте свободным стилем и 3 место в индивидуальной гонке на 15 км свободным стилем.В 2016 году занял 3 место по итогам многодневки Тур Де Ски 2016.
14 февраля 2016 года на этапе Кубка мира в шведском Фалуне выиграл масс-старт на 15 км свободным стилем.
В марте 2016 года занял второе место на гонке-многодневке «Тур Канады».
В среду, 4 января, в Оберстдорфе (Германия) лыжник Сергей Устюгов выиграл гонку преследования на 15 км свободным стилем, преодолев дистанцию за 37 минут 58,5 секунды. Эта победа стала для россиянина четвертой подряд в рамках многодневки «Тур де Ски»*. Ранее он выиграл спринт, гонку на 10 км классическим стилем с общего старта, а также скиатлон.