Сергей Николаевич Вернов родился 11 июля 1910 года в городе Сестрорецке. Образование получил в Ленинградском политехническом институте.
Начало его научной деятельности совпало с интенсивным изучением космических лучей. В 1935 году Сергей Вернов стал кандидатом физико-математических наук и приступил к работе в Физическом институте АН СССР.
В 1939 году Вернов становится доктором физико-математических наук. С 1943 года работает в МГУ. А после образования в 1946 году Научно-исследовательского института ядерной физики становится заместителем директора института.
С 1935 года он провел ряд значительных исследований. Результаты проведенных экспериментов привели к важным выводам о характеристиках взаимодействия протонов с веществом. В этих исследованиях также был впервые получен спектр основной части космических лучей.
Сергей Николаевич Вернов руководил экспериментами по исследованию космических лучей на первых искусственных спутниках Земли и автоматических межпланетных станциях. Одним из результатов этих экспериментов явилось крупнейшее открытие – обнаружение внешнего радиационного пояса Земли.
В конце 1950-х годов Вернов руководит созданием в МГУ уникальной установки для исследования космических лучей сверхвысоких энергий. С помощью данной установки был получен энергетический спектр космических лучей.
Умер Сергей Николаевич Вернов 26 сентября 1982 года.