Первые серьезные любовные отношения у начинающего актера были с Александрой Флоринской, его однокурсницей. Девушка не только получала актерское образование. Уже с 15 лет она успешно проявляла себя как модель. В 1997 году Александра завоевала титул Вице-мисс Россия, приняв участие в конкурсе красоты «Супермодель России». Вскоре девушка сделала выбор в пользу семьи, поскольку у них с Сергеем родился сын Глеб.

С 1998 года карьера Горобченко резко идет вверх. Вершиной популярности становится 2003 год, когда Сергей исполнил роль в фильме «Бумер». Его вторая половинка не могла похвастаться такими достижениями, и мужчина старался ей всячески помочь. После выхода фильма в семье стали возникать разногласия, и спустя шесть лет после начала отношений пара рассталась. Флоринская вышла замуж и переехала жить в Италию вместе с сыном.

Следующей избранницей актера стала Полина Невзорова, дочь известного журналиста. Знакомство пары состоялось в общей компании, но отношения возникли не сразу. Девушка знала себе цену, и за ней ухаживали многочисленные кавалеры. После у нее все же начался роман с Горобченко, но замуж она согласилась выйти, лишь узнав, что беременна. Помимо традиционной свадьбы состоялось венчание в храме.

В браке родилось семеро детей. Разница в возрасте между младшей дочкой, появившейся на свет в 2017 году, и старшим сыном Сергея от отношений с Флоринской, составляет 20 лет. С Глебом артист всегда общался и помогал материально. Молодой человек выбрал профессию режиссера.

Актер с супругой уделяют большое внимание развитию детей. Полина не работает, а все внимание она уделяет мужу и детям. Сергей является основным добытчиком в семье. Брак длится уже более 12 лет, и пара счастлива.

Горобченко ответственно относится к своему здоровью и при съемках избегает опасных трюков. Отдыхать и путешествовать семья предпочитает в полном составе. Поездки совершаются на удобном минивэне. Часто выбор отдается даче либо морю.