Sergio Marchionne nasce a Chieti il 17 giugno 1952, figlio di un maresciallo dei carabinieri emigrato da giovane in Canada. Ha conseguito tre lauree: in Legge alla Osgoode Hall Law School of York University, un Master in Business Administration (MBA) presso la University of Windsor e una laurea in filosofia conseguita presso l'Università di Toronto.

Lasciato il mondo forense, svolge la prima parte della sua attività professionale nel Nord America come dirigente. Dal 1983 al 1985 lavora per Deloitte Touche come commercialista esperto nell'area fiscale; successivamente dal 1985 al 1988 ricopre il ruolo di controllore di gruppo e poi direttore dello sviluppo aziendale presso il Lawson Mardon Group di Toronto. Dal 1989 al 1990 è nominato vice presidente esecutivo della Glenex Industries. Dal 1990 al 1992 ricopre il ruolo di responsabile dell'area finanza della Acklands e, contemporaneamente, la carica di responsabile per lo sviluppo legale e aziendale presso il Lawson Group, acquisito nel frattempo da Alusuisse Lonza (Algroup). Qui ricopre ruoli di crescente responsabilità, presso la sede centrale di Zurigo, fino a diventarne l'amministratore delegato.
 
Sergio Marchionne guida in seguito il Lonza Group, separatosi da Algroup, fino al 2002, anno in cui viene nominato amministratore delegato del Gruppo SGS di Ginevra, leader mondiale nei servizi di ispezione, verifica e certificazione; il gruppo è forte di 46 mila dipendenti in tutto il mondo. Grazie all'ottima gestione del gruppo svizzero, risanato nel giro di due anni, il nome di Sergio Marchionne acquisisce lustro negli ambienti economici e finanziari internazionali.
 
A partire dal 2003, su designazione di Umberto Agnelli, Marchionne entra a far parte del Consiglio di Amministrazione del Lingotto Fiat. In seguito alla morte di Umberto Agnelli e alle dimissioni dell'amministratore delegato Giuseppe Morchio, che aveva lasciato l'azienda dopo il rifiuto della famiglia Agnelli di affidargli anche la carica di presidente, Sergio Marchionne viene nominato (1 giugno 2004) Amministratore delegato del Gruppo Fiat. Dopo alcuni contrasti con il dirigente tedesco Herbert Demel, nel 2005 assume anche la guida di Fiat Auto in prima persona.
 
Il 2 giugno del 2006 viene nominato Cavaliere dell'Ordine al merito del Lavoro dal presidente della Repubblica Giorgio Napolitano.
Marchionne ha ricevuto una laurea honoris causa in Economia Aziendale dall'Università degli studi di Cassino nel 2007, e una laurea magistrale ad Honorem in Ingegneria Gestionale dal Politecnico di Torino nel 2008.
 
Di doppia nazionalità italiana e canadese, nel 2006 è stato inoltre nominato Presidente della European Automobile Manufacturers Association (ACEA). Insieme a Luca Cordero di Montezemolo, è considerato l'artefice dell'avvenuto risanamento della divisione Fiat.
 
Durante la sua amministrazione, Fiat deve affrontare progetti che erano stati scartati in precedenza: Fiat 500, Lancia Fulvia Coupé, Fiat Croma e vengono prodotti in soli due anni molti nuovi modelli.

In pieno periodo di crisi internazionale globale, nel mese di aprile del 2009 Marchionne effettua lunghe e travagliate trattative legate all'acquisizione della statunitense Chrysler con i sindacati ed il governo americani. Al termine delle trattativa viene raggiunto un accordo che prevede l'acquisizione da parte del Lingotto del 20% delle azioni Chrysler, in cambio del know how e delle tecnologie torinesi, facendo nascere così il sesto gruppo automobilistico del mondo. Tale è l'importanza dell'accordo che è lo stesso Presidente degli Stati Uniti Barack Obama a darne annuncio.
 
Nei giorni immediatamente successivi all'accordo con la casa automobilistica d'oltreoceano, l'AD di Fiat Group inizia trattative con i sindacati ed il governo tedeschi per una fusione tra la casa automobilistica piemontese e la tedesca Opel (facente parte del gruppo statunitense General Motors): l'obiettivo è quello di dare vita a un colosso del settore automobilistico capace di produrre 6 milioni di vetture all'anno.
 
Nel settembre 2014 sostituisce Luca di Montezemolo alla presidenza della Ferrari. Il 21 luglio 2018, a causa dell'aggravarsi delle sue condizioni di salute, il consiglio di amministrazione di FCA, convocato d'urgenza, decide di sostituirlo con Michael Manley, in precedenza responsabile del marchio Jeep.

Ricoverato da circa un mese muore all'età di 66 anni presso un ospedale di Zurigo, in Svizzera, a causa di un tumore alla parte apicale del polmone (anche se le notizie ufficiali su questo dettaglio sono vaghe). Sergio Marchionne lascia la moglie Manuela Battezzato e i due figli Alessio Giacomo e Jonathan Tyler.