Em 1946, estudou na Academia Altamira, em Buenos Aires, com Emilio Pettoruti (1892-1971) e Lucio Fontana (1899-1968). Na Europa, para onde viajou em 1948, fez um curso livre de filosofia na Sorbonne, em Paris, com Gaston Bachelard (1884-1962). Durante o período, sofreu o impacto da obra de Constantin Brancusi, cujo ateliê visitou com frequência. Em 1953, de volta ao Brasil, aproximou-se do pintor Milton Dacosta (1915-1988), que nesse momento produzia suas principais obras construtivistas.
Entre 1960 e 1973, voltou a residir em Paris e frequentou aulas de sociologia da arte com Pierre Francastel (1900-1970) na École Pratique des Hautes Etudes. Nesse período, trabalhou em seu ateliê de Malakoff, ao sul de Paris, e aproximou-se do ateliê Soldani, em Massa-Carrara, na Itália – momento em que realizou suas primeiras obras em mármore. A convite do crítico de arte inglês Guy Brett, realizou em 1964 sua primeira individual no exterior, na galeria Signals, em Londres. No final de 1973, retornou definitivamente ao Brasil e se estabeleceu no Rio de Janeiro, onde iniciou a construção de seu ateliê no bairro de Jacarepaguá.
Executou várias obras para espaços públicos, incluindo uma parede estrutural para o Palácio do Ministério das Relações Exteriores em Brasília (1967); a coluna Homenagem a Brancusi para a Faculdade de Medicina de Bordéus, na França (1972) e uma parede para o Centro Empresarial Itaú, em São Paulo (1983-1986). Apresentou trabalhos em Bienais de São Paulo (1955; 1957), Paris (1963) e Veneza (1966), bem como na documenta de Kassel (1968).
Após sua morte, em dezembro de 1990, foi realizada uma exposição itinerante internacional em vários museus, que ocorreu entre 1994 e 1996. Em 2000, comemorando os dez anos de seu falecimento, Sergio Camargo ganhou um local de visitação permanente no Paço Imperial do Rio de Janeiro.
