С.Мильніков народився в Челябінську, тут же починав займатися хокеєм і практично всю кар'єру провів в рідному "Трактор". Також він захищав ворота ленінградського СКА і ярославського "Торпедо". У сезоні 1989/90 грав у НХЛ за "Квебек Нордіск", ставши одним з перших радянських хокеїстів офіційно перебралися за океан.
У 1988 році Сергій Мильніков в складі збірної СРСР завоював олімпійське золото Калгарі. Також тричі піднімався на найвищу сходинку п'єдесталу чемпіонатів світу - в 1986-му, 1989-му і 1990-і роках. Кар'єру гравця закінчив у Швеції, там же почав і тренерську.
У Росії входив в тренерський штаб "Лади", "Крилья Совєтов", "Северстали", "Витязя" і "Автомобіліста".
Також С.Мильніков виступав за клуб "Легенди хокею СРСР".
Нагадаємо, чемпіона зимової Олімпіади 2010 року, що проходила у Ванкувері, і п’ятикратного чемпіона світу з бобслею американця Стівена Холкомба знайшли мертвим в олімпійському тренувальному центрі в Лейк-Плесіді.