Сергей Георгиевич родился 22 сентября в селе Ревны на Брянщине. С ранних лет он не видел отца. Маленькому Сереже его смог заменить родной дядя, проживавший в Брянске и часто навещавший своего племянника. Именно ему Сергей Георгиевич пообещал выучить азбуку и поступить в церковно-приходскую школу.
В школьные будни особую любовь Трофименко проявил к изучению математики, русскому языку и закону Божьему. Обучение было закончено по всем предметам на «отлично». После этого юный Сергей поступил в Брянское железнодорожное училище, где начал обучение на машиниста паровоза.
Когда Российская Империя переживала период перемен и изменений, Трофименко окунулся с головой в общественную жизнь и активно увлёкся идеями революционного времени. В 1918 г. уже после свержения монархии и установления нового строя, Сергей Георгиевич стал первым, кто создал в депо Брянск-Льговский комсомольскую организацию. После этого он и ещё 19 комсомольцев записались добровольцами на фронт Гражданской войны. После её окончания Трофименко остался в рядах Красной Армии.
В 1932 г. окончил военную академию им. Фрунзе, а через 5 лет военную академию при Генштабе. С августа 1940 года С.Г. Трофименко – начальник штаба Северо-Кавказского военного округа. С января 1941 года - командующий войсками Среднеазиатского военного округа. В начале Великой Отечественной войны под руководством генерал-майора Трофименко войска не допустили прорыва вражеских сил к новой железной дороге, связывающей Архангельск с Мурманском.
В 1943 году его, генерал-лейтенанта, назначают командующим 27-й армией. Войска под командованием С.Г. Трофименко произвели разгром в районе Демянска – крупной группировки врага. Участвовали в Белгородско-Харьковской операции, вели бои по расширению Букринского плацдарма, форсировали Днепр, громили врага в Украине, Молдавии, Румынии.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 13 сентября 1944 года за умелое управление войсками в Ясско-Кишинёвской операции и проявленные при этом мужество и героизм генерал-лейтенанту Сергею Георгиевичу Трофименко присвоено звание Героя Советского Союза.
С 1945 по 1946 годы командовал войсками Тбилисского, с 1946 по 1949 годы – Белорусского и с 1949 по 1953 годы – Северо-Кавказского военных округов.
В 1949 году окончил Высшие академические курсы при Высшей военной академии имени К. Е. Ворошилова. Избирался депутатом Верховного Совета СССР 2-го и 3-го созывов (1946—1953).
Сергей Георгиевич Трофименко умер 16 октября 1953 года в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище.
