Karierę aktorską rozpoczął występując w przedstawieniach Teatru Telewizji dla Dzieci. Rozpoznawalność przyniosła mu jednak dopiero rola w Filipa w "Rodzinie zastępczej". Sergiusz Żymełka po raz pierwszy zagrał syna Kwiatkowskich mając 8 lat. W tej roli widzowie oglądali go przez kolejne 10 lat, aż do zakończenia produkcji.
W 2001 roku wystąpił w filmie "Tam, gdzie żyją Eskimosi" i na tym zakończył swoją karierę aktorską. Zamiast niej udał się na studia w Wyższej Szkole Zarządzania i Prawa im. Heleny Chodkowskiej w Warszawie ucząc się psychologii w biznesie. Następnie rozpoczął pracę w Centralnym Ośrodku Informatyki w Warszawie. Od tamtej pory sporadycznie występował w znanych polskich produkcjach. Zagrał role epizodyczne w "Ojcu Mateuszu" i "Barwach szczęścia". W 2019 roku wystąpił również w "Kobietach mafii 2", gdzie wcielił się w rolę dilera narkotyków.
Od zakończenia produkcji "Rodziny zastępczej" minęło 14 lat, a Sergiusz Żymełka nie przypomina już Filipa, którego możemy pamiętać z serialu. Postanowił nawet zapuścić wąsy.
Fabuła "Rodziny zastępczej" opowiada o rodzinie Kwiatkowskich, którzy mają dwójkę dzieci (Filipa i Majkę), ale postanawiają przyjąć pod swój dach również Romka, chłopca z domu dziecka. Oprócz niego, do domu Kwiatkowskich trafiają też dwie dziewczynki: Zosia i Eliza. Rodzinę często odwiedza zaprzyjaźniony policjant, nazywany przez wszystkich posterunkowym. Akcja serialu częściowo rozgrywa się również w willi Kossoniów. Alutka i Jędrula są małżeństwem, które darzy się ogromnym uczuciem, ale jednocześnie nie zawsze może dojść do porozumienia.