Despertou para o teatro ao conhecer o Teatro Universitário do Rio de Janeiro, e sua estreia foi no papel-título de Hamlet, de Shakespeare.O sucesso foi tão grande que contribuiu para sua decisão de seguir a carreira de ator. Foi para o Teatro Brasileiro de Comédia, de São Paulo, onde fez peças importantes, como: Entre Quatro Paredes, A Ópera dos Três Vinténs, Do Mundo Nada se Leva, Seis Personagens à Procura de um Autor, Convite ao Baile, A Falecida, A Raposa e as Uvas e A Ceia dos Cardeais.
Em 1949 fundou sua própria companhia teatral, o Teatro dos Doze, em sociedade com a atriz Nydia Lícia, com quem foi casado e teve uma filha, Silvia.
Na TV Tupi, Sérgio Cardoso fez várias telenovelas de sucesso: O Sorriso de Helena, O Cara Suja, O Preço de uma Vida, O Anjo e o Vagabundo, Somos Todos Irmãos e Antônio Maria — esta última escrita por Geraldo Vietri, na qual contracenou com Aracy Balabanian. Em 1968, atuou em O Santo Mestiço, novela sobre a vida de São Mantinho de Porres, além de aparecer no filme A Madona de Cedro, no papel do sacristão aleijado Pedro. Foi o protagonista de Os Herdeiros, filme de Cacá Diegues produzido entre 1968-1969.
A partir de 1969 participou de diversas novelas da TV Globo, dentre elas A Cabana do Pai Tomás, Pigmalião 70 e A Próxima Atração. O Primeiro Amor foi seu último trabalho: o ator faleceu devido a um ataque cardíaco a apenas 28 capítulos do desfecho da trama e seu personagem foi então interpretado por Leonardo Villar.
Mais de vinte mil pessoas acompanharam o enterro do ator em São Paulo. Após sua morte, houve rumores de que Sérgio havia sido enterrado vivo, fato enfaticamente negado por parentes e amigos.
No local onde ele fundou a companhia de teatro, no bairro da Bela Vista, hoje existe o Teatro Sérgio Cardoso.
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