Sergio comenzó a jugar a los 3 años de edad, bajo la guía paterna. Desde los 12 años era claro que tenía un gran talento para el golf. A los 16 consiguió pasar por primera vez el corte en un torneo oficial del European Tour. Más tarde, en 1999, pasó a ser profesional, y enseguida adquirió notoriedad por su duelo con Tiger Woods en el PGA Championship, ese mismo año, donde quedó en segunda posición. En este torneo logró el golpe del año, cuando en el hoyo 16 de la última ronda de este torneo logró mandar la bola al green desde detrás de un árbol y sin apenas visibilidad.
Tiene importancia en su trayectoria profesional el cambio de swing realizado durante el año 2003. Fue un acto valiente -ya que de salir mal, corría el riesgo de arruinar su juego futuro-, con la finalidad de adquirir un estilo más "convencional" que le permitiera tener un mayor control de su juego. A partir del 2004 los resultados de este cambio empezaron a dejarse ver, y su juego ganó en estabilidad.
Sergio ganó por primera vez en el PGA Tour en el 2001 y desde entonces ha conseguido 7 victorias en el tour americano y 8 en el Tour europeo. En el circuito americano destaca su triunfo en el The Players Championship (mayo 2008), denominado como "el quinto grande", por ser el torneo más prestigioso del circuito tras los "grandes", y también el más lucrativo económicamente. Pero, quizá, su mejor logro ha sido su contribución al triunfo del equipo europeo en la Ryder Cup en los años 2002, 2004 y 2006. En esta copa singular, Sergio ostenta una gran marca de 14-4-5, es decir, 14 victorias, 4 empates y 5 derrotas.
En su palmarés falta, sin embargo, el triunfo en alguno de los "grandes" (majors). En estos torneos el castellonense ha quedado segundo en tres ocasiones y ha terminado catorce veces entre los 10 primeros. La ocasión más clara de llevarse la victoria se presentó en julio del 2007 en el Abierto Británico, cuando tras dominar el torneo desde la primera jornada, falló el putt decisivo y terminó cediendo en el desempate contra el irlandés Pádraig Harrington. En 2009 fue candidato a Mejor Deportista 2008 en la II Gala de los Premios Nostresport.
El alto rendimiento de Sergio en los "grandes" contrasta, paradójicamente, con la ausencia de victorias. La explicación de esta paradoja hay que buscarla en las características del propio jugador (Sergio es un extraordinario jugador de tee a green, pero destaca menos con el putt), en la especial dificultad que estos torneos entrañan (el grado de dificultad de los campos, la calidad de los participantes), y en el fuerte dominio que Tiger Woods ejerce desde 1995 en el panorama del golf mundial.