С 2022 года участвовал в специальной военной операции по защите ДНР и ЛНР. Он выполнил около 90 боевых вылетов, уничтожил множество объектов противника, включая опорные и командные пункты, боевую технику, склады боеприпасов и вооружения противника. На одном из вылетов у его вертолёта отказал двигатель, когда стояла задача уничтожить понтонную переправу неонацистов. Несмотря на это, Сергей Демьяненко смог выполнить задание благодаря своему опыту, мастерству и мужеству. Он смог благополучно вернуться на базу и спасти вертолёт. Демьяненко Сергею Ивановичу была присвоена высшая награда —«Золотая Звезда» Героя Российской Федерации.