Старший из шестерых детей. Отец - Николай Васильевич Марков, сын верхнеуральского мещанина, землеустроитель, проводивший межевые работы в Костромской губернии. Мать - дочь крепостного, впоследствии врача, и столбовой дворянки Вологодской губернии. В 1912 г. Марковы переехали в Вологду, в 1914 г., незадолго до Первой мировой войны, - в Грязовец, где Сергей закончил два класса гимназии, весной 1917 г. - в Верхнеуральск. В 1919 г. вместе с отступавшими частями А. И. Дутова Марковы ушли из города и добрались до Акмолинска, где Н. В. Марков вскоре умер от сыпного тифа (мать умерла в 1921 г. от холеры). В 1920 г. Сергей оставил учёбу, чтобы помогать младшим братьям и сёстрам, попавшим в приюты после смерти родителей. Служил в уездном продовольственном комиссариате, заготконторе, военном комиссариате, уездной прокуратуре, канцелярии народного следователя.

Впоследствии жил в Петропавловске, Новосибирске, где сблизился с местными литераторами - Л. Мартыновым, И. Ерошиным и др. В 1928 г. жил в Ленинграде, в 1929 г. переехал в Москву. В 1930-1932 гг. путешествовал по Средней Азии, был в Тянь-Шане, где участвовал в операциях против нарушителей советских границ с Западным Китаем.

10 апреля 1932 г. арестован по обвинению в создании контрреволюционной группировки (т. н. «дело Сибирской бригады»; по нему же проходили Л. Мартынов, Е. Забелин, П. Васильев, Н. Анов), содержался во внутренней тюрьме на Лубянке. 2 июля 1932 г., по окончании следствия, отправлен с первым этапом в ссылку в Мезень сроком на три года, считая срок заключения.

В конце 1932 г. по ходатайству М. Горького и редактора газеты «Ударник лесоэкспорта» Б. А. Чернакова переведён в Архангельск. В последующие годы работал в газете «Правда Севера», в СевРОСТА и СевТАСС, состоял собственным корреспондентом газеты «Вечерняя Москва» по Северному краю. В 1937-1941 гг. жил в Калинине и Можайске.

В 1941 г. мобилизован, несмотря на возраст, болезнь и плохое зрение; с 9 сентября 1941 г. по 16 декабря 1942 г. служил рядовым 33-й запасной стрелковой бригады Западного фронта, демобилизован вследствие крайнего истощения.

По окончании войны вместе с семьёй жил в Москве.

Творчество и исследовательская деятельность

Первое стихотворение («Революция») опубликовал в 1920 г. в газете «Красный вестник» (Акмолинск), в 1921-1924 гг. в той же газете, переименованной в «Маяк степи», публиковал стихи, фельетоны, заметки. Впоследствии печатался в журналах и газетах «Мир труда» (Петропавловск), «Рабочий путь» (Омск), «Советская Сибирь», «Сибирь» и «Сибирские огни» (Новосибирск) и др. Первая столичная публикация - в 1927 г. в журнале «Красная нива». Благодаря публикации рассказа «Голубая ящерица» («Сибирские огни». 1928. № 3) был замечен М. Горьким, при его поддержке выпустил первый сборник рассказов под тем же заглавием и был привлечён к сотрудничеству в журнале «Наши достижения». В период пребывания в Архангельске публиковал стихи в журнале «Звезда Севера». В годы Великой Отечественной войны печатал в газете «Комсомольская правда» цикл стихов о русских героях: Кузьме Минине, Иване Сусанине, Суворове, Багратионе и др. В 1946 г. выпустил первый поэтический сборник «Радуга-река».

Всю жизнь занимался поиском и исследованием материалов об открытиях на Тихом океане, принадлежащих русским мореплавателям и землепроходцам; вёл обширную переписку со многими краеведами и архивистами. Среди разысканий, сделанных самим Марковым или по его инициативе, - архивы, библиотеки и документы Г. И. Шелихова, Г. В. Юдина, К. Т. Хлебникова, М. Булдакова, И. А. Кускова, И. О. Селифонтова, Л. А. Загоскина, И. М. Симонова, Н. П. Резанова, Н. А. Бегичева, А. А. Баранова, рода Строгановых и др. По результатам исследований в конце 1930-х гг. составил «Тихоокеанскую картотеку», материалы которой легли в основу его повестей о Н. Н. Миклухо-Маклае («Тамо-рус Маклай») и Н. М. Пржевальском («Повесть о Великом Охотнике»), романа о Л. Загоскине («Юконский ворон»), «Летописи Аляски», книги о Ф. Достоевском и Ч. Валиханове («Идущие к вершинам») и др. произведений; многие карточки-новеллы после Великой Отечественной войны публиковались в журнале «Вокруг света».

По инициативе Маркова Госпланом СССР были выделены средства на регулирование русла р. Нуры (1930), сооружён памятник-маяк Семёну Дежнёву на мысе Дежнёва, присвоено имя Александра Грина одному из островов в северной части Тихого океана, восстановлена Триумфальная арка в Москве в память о победе над Наполеоном.

Марков занимает особенное место в советской литературе. Историком, географом и этнологом он стал при помощи самообразования. Он интенсивно занимался историей земле­проходцев, например, первыми русскими, сту­пившими на земли Аляски или добравшими­ся до Северной Африки; это отразилось как в прозе, так и в стихах Маркова. Местом действия его произведений служат пустыни, полярные льды и горы Тибета, он описывает события, про­исходившие с 9 по XIX век. Проза Маркова написана сухо, богата фактическим материалом, одна­ко наглядна и образна. Стихи Маркова, впервые появившиеся как сборник в 1946, показывают ту же плотность письма при использовании традиционных форм и строгом художественном под­ходе к выбору рифм и размеров. В них от­крывается духовное видение Марковым отдалённых культур.