Сергей Вильямов родился 23 августа 1952 года в городе Сковородино Амурской области. В 1972 году окончил Щекинский химико-технологический техникум.
Трудовую деятельность начинал на Саратовском химкомбинате.
С 1979 года работал в производственном объединении "Сахалинбургазразведка" (монтажником, бригадиром, прорабом).
В 1991 году окончил Хабаровский политехнический институт по специальности экономика и организация строительства.
В 1994 году зачислен начальником РСУ Ногликского управления буровых работ АООТ "Сахалинморнефтегаз".
С 1998 года - заместитель генерального директора по вопросам строительства ОАО "Роснефть-Сахалинморнефтегаз".
В августе 2007 года сменил на посту вице-губернатора Сахалинской области Альперовича Виктора Юделевича. Освобожден от занимаемой должности заместителя губернатора в 2012 году.