Физиолог, доктор медицинских наук.
Родился в городе Козлове (ныне - Мичуринск). В 1914 году окончил
медицинский факультет Московского университета и сразу же уехал в
действующую армию: шла Первая мировая война. Затем - Гражданская
война, работа в госпиталях, больницах, клиниках.
В начале 20-х годов ХХ века в условиях разрухи молодой врач изобрёл аппарат искусственного кровообращения, который применялся для вывода больного из клинической смерти при операциях на сердце.
С 1931 года С. С. Брюхоненко - доктор медицинских наук, заведовал лабораторией экспериментальной терапии Института гематологии и переливания крови. В 1935 году основал и возглавил НИИ экспериментальной физиологии и терапии. С 1958 года и до конца жизни был директором института экспериментальной биологии и медицины Сибирского отделения АН СССР.
С. С. Брюхоненко был выдающимся исследователем и изобретателем, его открытия, на много лет опередившие зарубежные, создали основы для успешного проведения операций на сердце. В настоящее время тысячи людей с серьёзными заболеваниями сердца живут и работают только потому, что много лет назад советский физиолог Сергей Сергеевич Брюхоненко создал первый в мире аппарат искусственного кровообращения («искусственное сердце»).
В 1965 году выдающемуся учёному была посмертно присуждена Ленинская премия.