Родился в 1924 году в деревне Загоскино Кондольского района Пензенской области в семье крестьянина. В 1936 году его семья переехала в совхоз "Боевой" Исилькульского района Омской области. Здесь Сергей Ермолаев закончил семь классов. Работал слесарем, учился на курсах шоферов. В августе 1941 года был призван в армию и после окончания военного училища в чине младшего техника-лейтенанта отправился на фронт. Командовал огневым взводом. В первые дни пребывания на фронте отличился и был награжден орденом Красной Звезды. Сражаясь на 3-м Украинском фронте в районе Секешфехервар 11 января 1945 года вступил в единоборство с 16-ю танками противника типа "тигр" и "пантера". Пять из них уничтожил. Спасая жизнь своих товарищей, бросился со связкой гранат под танк врага. Указом Президиума Верховного Совета СССР 25 января 1945 года присвоено звание Героя Советского Союза посмертно.