Регалии: Заслуженный мастер спорта СССР; 3-кратный чемпион СССР (1933, 1934, 1935); рекордсмен мира (1946).
Родился 25 января 1910 года в селе Бист Эриванской губернии (Российская империя).
Когда Серго было всего семь лет, его семья переехала в Кисловодск. Здесь Амбарцумян прожил десять лет, работал автослесарем, ремонтником, каменщиком, ездил на заработки в Донбасс.
В 1930 году он приехал в Ереван и устроился в гараж НКВД. Здесь обратили внимание на то, что парень обладает огромной природной силой и отправили его заниматься в секцию «Динамо». Всего через три года Амбарцумян стал чемпионом СССР, уверенно победив на соревнованиях в Минске. Этот успех он повторил еще дважды.
Когда на Олимпиаде в Мюнхене немецкий штангист Йозеф Манцер стал победителем в тяжелом весе и был провозглашен самым сильным человеком планеты, партийное руководство СССР поставило задачу превзойти рекорд Манцера. Ее выполнение доверили Амбарцумяну. С ним стал заниматься знаменитый советский тяжелоатлет, а позже спортивный комментатор Ян Спарре.
Показательное выступление Амбарцумяна состоялось в декабре 1938 года в Ереване. Серго превзошел достижение немца в троеборье. Хотя новый рекорд мира не был ратифицирован Международной федерацией тяжелой атлетики, так как был установлен не во время официальных соревнований, Амбарцумяна вызвали в Кремль, где Иосиф Сталин лично вручил ему орден «Знак Почета».
Серго стал первым спортсменом, получившим эту награду. В честь этого события в Ереване поставили спектакль, в котором Серго Амбарцумян исполнял роль народного героя Армении Давида Сасунского.
В 1946 году советские тяжелоатлеты впервые приняли участие в чемпионате мира. В Париже Амбарцумян установил мировой рекорд в рывке левой рукой, но по сумме занял пятое место. После соревнований он потерял сознание и был госпитализирован. Французские врачи диагностировали у штангиста микроинфаркт и запретили всяческие нагрузки.
Вернувшись на родину, Амбарцумян не нашел себе применения в тяжелой атлетике. Он работал таксистом, потом заведовал шашлычной при ереванском ресторане «Масис».
Скончался 13 апреля 1983 года в Москве. Похоронен в Ереване (Армения).