После школы Сергей Маховиков поступил в Высшее военно-морское командное училище подводного плавания. Через некоторое время перевёлся в Балтийский Университет на отделение «ракеты», но так и не доучился.
Затем Маховиков поступил на курс Игоря Горбачёва в ЛГИТМиК. Будучи студентом второго курса, он начал работать в Александринском театре. Также принимал участие в спектаклях Молодёжного театра и театра «Приют Комедиантов». Кроме того, актёр посещал в качестве вольнослушателя киношколу режиссёра Александра Сокурова.
Через некоторое время Сергей Анатольевич открыл собственную театральную студию и поставил спектакль. В 1989 году отправился по приглашению в Хабаровский краевой театр драмы, где выступил в качестве режиссёра-постановщика. За 1,5 года работы в Хабаровском театре Сергей Маховиков поставил два спектакля и сыграл в девяти постановках.
На конкурсе актёрской песни 1991 года Сергей выиграл Гран-При. На него обратил внимание режиссёр Евгений Гинзбург и пригласил участвовать в своей новой ленте «Простодушный».
Картина имела успех, а сам артист удостоился премии за лучшую мужскую роль на МКФ «Улыбнись, Россия!» и приза за лучший кинодебют года на МКФ-Созвездие-94.
В 1993 году Сергей Маховиков начал работать в МХТ имени А. П. Чехова. В 1995 году артист принял участие в совместном кинопроекте США, Польши и России – боевике Марека Новицкого «Золотое дно». Через два года на экраны вышел триллер Николая Лебедева «Змеиный источник», в котором Маховиков исполнил одну из ролей.
Затем его фильмография пополнилась такими картинами, как «Хиппиниада, или Материк любви», «Рейнджер из атомной зоны», «Марш Турецкого», «Курортный роман», «Ловец», «Мужская работа», «Инструктор», «Полосатое лето», «Сармат», «Время жестоких» и «Граф Крестовский».
Популярность актёру принесла роль Глеба Северова в телевизионном сериале «Слепой», вышедшем в 2004 году. Спустя год Сергей Маховиков вернулся к знакомому образу в телесериале «Слепой-2».
