Регалии: Заслуженный мастер спорта; чемпион мира (2012); серебряный призер чемпионата мира (2010); 2-кратный серебряный призер молодежных первенств мира (2006, 2007).
Родился 27 апреля 1988 года в Куйбышеве (Россия).
Начал заниматься в школе при ЦСК ВВС. В 11-летнем возрасте переехал в Ярославль и стал первым вратарем в группе своего возраста. В сезоне 2004/05 дебютировал в первой лиге за «Локомотив-2». В сезоне 2006/07 включен в основной состав ярославского «Локомотива», а уже в следующем году его команда вышла в финал плей-офф Суперлиги, где уступила в серии из пяти матчей уфимскому «Салавату Юлаеву» (2:3).
Подписав контракт с «Вашингтон Кэпиталз», Варламов дебютировал в НХЛ в декабре 2008 года. В первой же игре был признан главной звездой матча. Провел за «Вашингтон» в общей сложности 78 матчей, после чего в 2011 году подписал контракт с «Колорадо Эвеланш». Во время локаута в НХЛ вернулся в родной ярославский «Локомотив». С 2019 года выступал за клуб "Нью-Йорк Айлендерс".
В сборной России дебютировал в 2010 году, принимал участие в двух Олимпиадах и трех чемпионатах мира.
С Варламовым связана неприятная история с обвинениями в похищении человека и домашнем насилии, из-за чего Семен оказался в окружной тюрьме Денвера. Инцидент произошел в конце октября 2013 года. Поводом для скандала послужило заявление модели Евгении Вавринюк, с которой голкипер «Колорадо» в тот период времени встречался. Вавринюк утверждала, что сожитель ее регулярно избивал, а во время последней ссоры выгнал из дома. Впрочем, 20 декабря 3013-го суд Денвера снял все обвинения в отношении Варламова.