Sua carreira na televisão começou em 1981, na TV Globo, como repórter dos programas Fantástico e Globo Repórter. 

Em 1984 participou da criação do Globo Ciência, programa do qual foi repórter e diretor geral até 1991. Em maio de 1987, fundou a VideoCiência, com o objetivo inicial de produzir o Globo Ciência como produtora independente para a Globo Vídeo e posteriormente para a Fundação Roberto Marinho.  A partir de 1992, passou a dirigir e apresentar programas de TV para outras emissoras, como o Eco Realidade, produzido pela VideoCiencia em parceria com a Academia Brasileira de Ciências e transmitido ao vivo vivo em rede nacional pela Rede Brasil de emissoras educativas.

Sua experiência internacional como repórter e produtor inclui a produção de reportagens, documentários e transmissões ao vivo de TV para emissoras estrangeiras, como a BBC (Reino Unido), NHK (Japão) e TF1 (França), dentre outras.

Em 1994, criou, com seu amigo e parceiro profissional José Renato Monteiro, a Mostra Ver Ciência, Mostra Internacional de Ciência na TV, que tem como missão promover e incentivar a disseminação da cultura científica pela televisão.

Entre 2000 e 2005 atuou consultor do programa semanal Ver Ciência na TV Cultura de São Paulo. Em 2005 e 2006, coordenou a produção e as transmissões ao vivo, pelo Canal Futura, do programa Ao Ponto,  com apresentação de Jairo Bower. Em 2009, produziu e dirigiu a série “Evolução, a Festa da Vida”, para marcar os 150 anos de publicação da obra mais famosa de Charles Darwin, o livro “A Origem das Espécies”. Em 2010 e 2011, dirigiu e apresentou diversos "talk shows", programas de entrevistas com cientistas transmitidos ao vivo pela internet, através do site VerCiência.

Paralelamente à sua carreira de comunicador de ciência por televisão, também tem atuado como roteirista e diretor de vídeos institucionais e campanhas publicitárias.

Por sua dedicação ao jornalismo científico, Sergio Brandão ganhou vários prêmios no Brasil e no exterior, como o Prêmio José Reis de Divulgação Científica (1986) do CNPq (Relação de Premiados em PDF) e o Prêmio Primo Rovis (1991), da Fundação Internacional Trieste para o Progresso e a Liberdade da Ciência, da Itália, além de duas indicações da Academia Brasileira de Ciências ao Prêmio Kalinga da UNESCO para divulgadores de ciência.

Como especialista em comunicação de ciência pela TV, frequentemente é convidado para participar de congressos, seminários, fazer palestras e ministrar oficinas sobre ciência e televisão, no Brasil e no exterior.

Tem um blog pessoal de comunicação de ciência: sergiomcbrandao.blogspot.com.