После окончания в 1994 году высшего военного училища проходил службу в вооружённых силах Украины. В 2004 году уволился по состоянию здоровья, в дальнейшем работал в коммерческих структурах.
Принимал участие в Евромайдане, где был сотником, после начала войны в Донбассе в апреле 2014 года возглавил 24-й батальон территориальной обороны Луганской области «Айдар», принимал участие в боевых действиях.
В октябре 2014 года избран депутатом Верховной рады Украины 8 созыва.
Сергей Мельничук зарегистрирован в Фейсбуке как SergiyMelnuchykKombatAidar, где регулярно оставляет записи.
С начала войны на Донбассе весной 2014 года становится одним из самых медийных людей Украины, возглавив батальон «Айдар», что стало трамплином для дальнейшей политической карьеры Мельничука.
В сентябре 2014 года заявил о том, что в случае прорыва ополченцев к Счастьинской ТЭС она будет взорвана, чтобы электроэнергия не досталась Луганску[1]. Спустя два дня, 6 сентября 2014 года, появились сообщения о гибели Мельничука в бою, но в тот же день они были опровергнуты им самим[2]:
Ну, вы меня слышите, это значит, что я жив и здоров. Что и вам желаю.
Причём опровержение было на русском языке.
30 октября 2016 года была опубликована декларация Мельничука о доходах за 2015 год, согласно которой его доход за год составил 1 триллион гривен (38,7 миллиарда долларов), что вызвало широкий резонанс. Вначале предполагалось, что была допущена опечатка, на следующий день сам Мельничук заявил, что хотел таким образом привлечь внимание к проблеме коррупции в стране и что декларации легализуют коррупционные деньги[3].