Serge Poliakoff nasce a Mosca l'8 gennaio 1900.
Nel 1923 si trasferisce a Parigi, e tra il 1928 e il 1929 studia all'Académie Frochot e alla Grande Chaumiere. Espone per la prima volta in gruppo alla Galerie Drouant di Parigi nel 1931.
Nel 1935 lascia Parigi e si trasferisce per due anni a Londra, dove segue i corsi alla Slade School of Art. Si interessa ai primitivi italiani e alle pitture dei sarcofagi egiziani che vede esposti al British Museum. Si sposa con Marcelle Perreur-Lloyd.
Nel tempo libero suona la chitarra e partecipa come comparsa in alcuni film dove interpreta la parte del musicista.
Nel 1937, ritornando a Parigi, incontra Vassilij Kandinskij.
Il suo primo quadro astratto viene esposto nel 1938 alla Galerie Niveau di Parigi, e lo stesso anno l'artista ha modo di conoscere anche Sonia e Robert Delaunay. Frequenta assiduamente i due artisti e nel contempo segue i corsi teorici sui contrasti simultanei di Robert. Rimane profondamente influenzato da questi corsi, così come riceverà una grande impressione anche dalla personalità di Otto Freundlich.
Dal 1939 partecipa al Salon des Indipendentes, fino al 1945.
Espone nel 1945 i suoi primi quadri astratti alla Galerie L'Esquisse di Parigi, e nel frattempo partecipa anche al Salon des Réalités Nouvelles.
Nel 1946 espone in due mostre organizzate nella Salle du Centre des Recherches, in rue Cijas, dove si raggruppava, a quel tempo, l'avanguardia della pittura astratta.
Espone quindi con Cesar Domela, Hans Hartung, Auguste Herbin e Gerard Schneider alla Galerie Denise René di Parigi.
Prende parte al Salon de Mai, dove continuerà ad esporre regolarmente, e partecipa al Salon des Surindépandants.
In questo periodo, per vivere, oltre che suonare la chitarra, esegue per un piccolo periodo disegni per tessuti.
Nel 1947 riceve il Premio Kandinskij.
Espone nel 1948 in diverse mostre organizzate dalla Galerie Denise René di Parigi e più tardi espone anche nei paesi scandinavi: tiene una personale alla Galerie Tokanten di Copenhaghen. Un suo quadro viene acquistato dal Musée des Beaux Arts de Grenoble.
Nel 1950 espone alcune pitture alla Galerie Denise René e alcune gouaches alla Galerie de Beaune di Parigi.
Il 1951 è l'anno in cui espone le sue recenti opere alla Galerie Dina Vierny di Parigi e nel contempo prende parte a varie esposizioni di gruppo ospitate in Inghilterra e Giappone.
Nel 1952 avviene un primo contatto con la Galerie Bing, che permetterà a Poliakoff di dedicarsi interamente alla propria pittura. Visita la mostra "L'Art du XX siècle", organizzata dal Museé d'Art Moderne di Parigi, dove rimane impressionato dall'opera di Kasimir Malevic: Carré blanc sur fond blanc, ripensando alla quale più tardi affermerà: "Il m'a démontré une fois de plus le role capital de la vibration de la matière. Memes s'il n'y pas de couleur, un tableau où la matière vibre, reste vivant". Nello stesso anno realizza la sua prima esposizione personale a New York, presso la Circle and Square Gallery.
Nel 1953 tiene una grande esposizione personale in Belgio: all'A.P.I.A.W. di Liegi e al Palais des Beaux-Arts di Bruxelles, presentando quarantacinque pitture e sei gouaches. Tra il 1954 e il 1955 è impegnato in parecchie esposizioni in Francia e all'estero.
Nel 1956 riceve il Premio Lissone, mentre nel 1957 esegue la scenografia per il balletto "Contré-point", per le musiche di Marius Constant e con le coreografie di Roland Petit.
Tra il 1958 e il 1962 espone in numerose mostre personali tenute in vari musei in Svizzera e nei paesi scandinavi. E così in Germania, in Inghilterra e a Pittsburgh. Si ricordano le partecipazioni a Documenta II, alla III International Exhibition of Contemporary Painting, al Carnegie Institute di Pittsburgh, a "50 ans d'Art Moderne", tenuta a Bruxelles. Ottiene la cittadinanza francese. Nel dicembre 1960 è tra i trentacinque artisti invitati ad esporre alla grande collettiva “Ecole de Paris”, organizzata dalla Galleria Lorenzelli a Milano.
Nel 1962 è invitato ad esporre con una sala personale alla XXXI Biennale di Venezia, mentre nel 1965 riceve il Premio Internazionale della Biennale di Tokio e nel 1966 il grande Premio della Biennale di Menton. Lo stesso anno tiene un'importante retrospettiva al Musée di St. Gallen in Svizzera.
Nel 1968 viene organizzata una retrospettiva alla Maison de la Culture de Caen, mentre l'anno successivo altre retrospettive vengono ospitate nei musei di Despiau-Wlerick e Mont-de-Marsan.
Muore a Parigi il 12 ottobre 1969.
Dopo la scomparsa dell'artista, diverse mostre sono state organizzate presso le gallerie Lorenzelli di Milano e Bergamo. La personale del dicembre 1970 e la collettiva: "Otto Pittori Russi" del maggio 1971, si sono tenute alla Galleria Lorenzelli di Bergamo.
L'“Omaggio a Serge Poliakoff" del gennaio 1978, e la personale dei "Dipinti 1952/1968" del novembre 1983, si sono invece tenute presso la Galleria Lorenzelli, poi Lorenzelli Arte, di Milano.