Сергей Агамов родился 7 марта 1943 года в селе Калахана Шемахинского района Азербайджанской ССР. Начал заниматься греко-римской борьбой в 1959 году в Баку под руководством Эдуарда Арутюняна.
В 1961 году выиграл чемпионат СССР среди юношей.
С 1962 года выступал в чемпионатах СССР среди взрослых. Наиболее успешным в его спортивной карьере стал 1966 год, когда он становился чемпионом СССР и чемпионом Европы.
На чемпионате Европы в Эссене Сергей Агамов не только завоевал золотую медаль в своей весовой категории, но и получил приз как лучший борец всего турнира.
В 1967 году был серебряным призёром IV летней Спартакиады народов СССР и чемпионата Европы.
В 1968 году Сергей Агамов переехал в Ереван.
В 1972 году после завершения своей спортивной карьеры перешёл на тренерскую работу в спортивном обществе «Динамо» , а потом в Высшей школе спортивного мастерства.
В 1978 году вернулся в Баку, работал в ДЮСШ по борьбе, подготовил несколько борцов международного уровня, в том числе чемпиона Европы, призёра чемпионата мира Натика Айвазова.
В 1989 году из-за начала Карабахского конфликта был вынужден уехать из Баку и вернулся к тренерской деятельности в ереванской школе Высшего спортивного мастерства.
В 1993 году Сергей Агамов переехал в поселок Балакирево Владимирской области. Там во многом его усилиями при спортивном комплексе «Рубин» была создана ДЮСШ, которая с 2012 года носит его имя. Наиболее известным воспитанником этой школы и Сергея Агамова является трёхкратный чемпион Европы, чемпион мира Амбако Вачадзе.Умер 30 сентября 2012 года.
С 2013 года в Балакирево проводится всероссийский детско-юношеский турнир по греко-римской борьбе памяти Сергея Агамова.