Родился 26 января 1972 года, гражданин Украины. Получил высшее военно-техническое образование (радиоинженер, 1989-1994).
1994-1995 - инженер службы ракетного вооружения.
1995 - начальник отделения сборки и снаряжения ракет.
1995-1997 - заместитель начальника технической батареи.
1997-2000 - командир технической батареи.
2000-2001 - заместитель начальника дивизиона.
2002-2004 - старший инженер групп.
Из вооруженных сил уволен 16.04.2004 году по состоянию здоровья в звании Майор.
2007 - ОАО «ПлазмаТек», менеджер по снабжению.
2007 - заместителя генерального директора ОАО «ПлазмаТек» по техническому обеспечению.
2008 - генерального директора ОАО «Материк-М».
В 2014 году проходит военную службу по призыву по мобилизации, командир 24-го батальона территориальной обороны "Айдар".
В 2014 году на досрочных выборах в Верховную Раду впервые включен в избирательный список Радикальной партии Олега Ляшко под № 3. С ноября 2014 года народный депутат Верховной Рады Украины VIII созыва.
5 февраля 2015 года фракция Радикальной партии в Верховной Раде исключила из своих рядов депутата Сергея Мельничука.
Лидер Радикальной партии Олег Ляшко заявил, что Мельничук в военных условиях был бы достоин расстрела. По его словам, настоящие герои защищают Украину ценой собственной жизни на востоке Украины, а "мельничуковцы" занимаются дестабилизацией ситуации в Киеве.
12 февраля 2015 года Верховная Рада отозвала нардепа Сергея Мельничука с должности первого заместителя главы парламентского комитета по национальной безопасности и обороны.
3 марта 2015 года в сессионном зале Верховной Рады произошла драка с участием депутатов от Радикальной партии и бывшего члена фракции этой партии Мельничука, который вошел в депутатскую группу “Воля народа”. Драка произошла из-за того, что Мельничук решил присоединиться к группе "Воля народа". Она началась еще в зале Верховной Рады, а потом продолжилась в кулуарах за ограждением пресс-поинта. В ходе драки повалили и сломали ограждение пресс-поинта.
30 марта 2015 года Генпрокуратура возбудила уголовное производство против народного депутата, бывшего командира батальона "Айдар" Сергея Мельничука по подозрению в организации похищения экс-главы "Укрспирта" Михаила Лабутина.
20 мая 2015 года ГПУ обнародовала представление на арест нардепа Мельничука. Генпрокуратура подозревает Мельничука в организации вооруженной банды. Досудебным расследованием установлено, что Мельничук на протяжении мая-сентября 2014 года организовал вооруженную банду с целью нападений на предприятия, учреждения, организации и отдельных лиц и совершения других преступлений, направленных на вооруженное и открытое завладение чужим имуществом, принимал участие в указанной банде и организовывал совершаемые ею нападения.
3 июня 2015 года Верховная Рада разрешила привлечь к уголовной ответственности Сергея Мельничука ("Воля народа"), но не разрешила его задерживать и арестовывать.Генпрокуратура подозревает нардепа Сергея Мельничука в организации вооруженной банды.
03.06.2015