Sergio Vartolo ha studiato musica (organo e cembalo) presso il Conservatorio di Bologna, laureandosi contemporaneamente in Lettere presso l'Università della stessa città. Svolge attività in Italia e vari paesi europei come clavicembalista, organista e direttore di gruppi musicali vocali e strumentali nel campo della musica rinascimentale e barocca. Ha diretto per quattordici anni la Cappella Musicale di San Petronio portandola attraverso incisioni e tournée a essere conosciuta nel mondo.
Ha inciso una sessantina di dischi come solista, fra cui le Variazioni Goldberg e L'Arte della Fuga di J. S. Bach, Lamenti e Toccate di Froberger, l'integrale per tastiera dei seguenti autori: Frescobaldi (Premio della Critica tedesca e Choc della Critica francese), Zipoli, M. Rossi, Cavazzoni e Trabaci. In qualità di direttore della Cappella Musicale di San Petronio ha inciso l'integrale dei Madrigali per 1, 2, e 3 soprani di Luzzasco Luzzaschi (Diapason d'Or della Critica Francese), l'Integrale delle Messe Mantovane di Palestrina, gli Scherzi Musicali e le Canzonette, il Ballo delle Ingrate, il Combattimento di Tancredi e Clorinda e tutti i melodrammi di Monteverdi (Orfeo - due volte - Poppea e Ulisse), la Rappresentazione di Anima e Corpo di Cavalieri, l'integrale delle Sonate e dei Concerti per 1, 2, 3 e 4 trombe e orchestra di Torelli, numerosi Vespri concertati della Scuola Bolognese di San Petronio e una raccolta di Lamenti barocchi (fra cui, con la partecipazione di Anna Caterina Antonacci, La Pazza di Girami, il Lamento di Arianna di Monteverdi e il Lamento della Madre Ebrea di Cesti).
Ha pubblicato uno studio sulle fonti e prassi dell'opera per tastiera di Frescobaldi (Girolamo Frescobaldi: annotazioni sulla musica per strumento a tastiera, Nuova Rivista Musicale Italiana 4/1994), uno studio ed il Facsimile (libretti e partitura) de Il Ritorno di Ulisse in patria di Monteverdi (SPES, Firenze 2000) ed uno studio ed il facsimile de L'arte della Fuga di Bach (SPES; Firenze, 2009). Ha composto ed elaborato musiche sacre e profane per la Radiotelevisione Svizzera Italiana (Planctus Mariae, Selva di varia ricreazione), per il Festival de La-Chaise-Dieu (Passione di Cristo secondo Giovanni, Assalonne punito) e per la Cappella di S. Petronio.
Ha insegnato Teoria e Solfeggio, Storia della Musica e Clavicembalo presso i Conservatorio Statali di Foggia, Bologna, Padova, Ferrara, Mantova e Venezia. E' stato borsista presso il DAMS dell'Università di Bologna ed è inoltre Accademico Filarmonico Bolognese.