Sergueï Stoliarov est né dans un petit village de la région de Toula dans une famille de forestier. Comme sa vraie date de naissance est inconnue, il l'a choisi lui-même - le 1er novembre 1911. A la fin des années 20, il termine ses études dans une école professionnelle technique à Moscou et travaille sur les chemins de fer. En même temps il étudie dans un studio théâtral pour les ouvriers.
En 1932 devant la haute commission, dont les membres étaient K.Stanislavski, V. Nemirovitch-Dantchenko et Vs. Meyerhold, il passe l'examens d’entrée dans la troupe de Théâtre d'Art de Moscou (МХАТ).
En 1934 Alexandre Dovjenko propose au jeune comédien un rôle dans son film Aerograd (Аэроград).
Puis Stoliarov est choisi par Grigori Alexandrov pour le rôle d'Ivan Martynov dans le film Le Cirque (Цирк). C'est le premier très grand succès d'acteur de Sergueï Stolarov, dont il ne profite pas, car il s'exprime ouvertement contre l'arrestation et l’exécution du cameraman du film Vladimir Nilsen (Владимир Нильсен). Pour cette raison Stoliarov ne fait pas partie de la délégation russe venue à Paris pour montrer le film lors de l'Exposition universelle en 1937.
Grâce à son talent et son remarquable physique Stoliarov, qui joue plusieurs rôles des héros de contes russes, devient très populaire. Par ailleurs, le comédien est susceptible de servir de modèle pour l’ouvrier de la célèbre composition du sculpteur Mouchina L’ouvrier et la kolkhozienne .
Apres la guerre, suite à son interprétation du rôle de Sadko dans le film d’Alexandre Ptouchko Stoliarov reçoit une certaine notoriété internationale. La liste de ses personnages héroïques s’élargit avec le rôle de Aliocha Popovitch dans une grande production Ilya Mouromets en 1956 et avec le rôle du capitaine d’un sous-marin soviétique Le Mystère des deux océans en 1957. Pourtant en 1958 il est obligé de créer une entreprise théâtrale et beaucoup voyager dans le pays, pour, comme plusieurs autres acteurs, compenser le manque de propositions.
Dans les années 60 Stoliarov joue peu de rôles importants au cinéma. Juste avant sa mort il travaille sur le scénario du film Quand le brouillard se dissout, réalisé plus tard par Yuri Vychinski et d'autres idées de scénarios pour les films sur Dmitri Donskoï et Serguiï de Radonège. En 1969 Sergueï Stoliarov est mort d’un cancer.
