Герой Советского Союза. Командир отделения 1176-го стрелкового полка 350-й стрелковой дивизии 52-й армии 1-го Украинского фронта, сержант.
Родился 14 сентября 1914 года в селе Максим, ныне Козелецкого района Черниговской области в семье крестьянина. Украинец. Член ВКП(б)/КПСС с 1951 года. Окончил ремесленную школу в Чернигове. Работал плотником и столяром на шахтах Донбасса, был стрелком ВОХР Киевского речного порта.
В 1936-1938 годах проходил службу в рядах Красной Армии. Вторично призван в январе 1944 года Летичевским РВК. В боях Великой Отечественной войны с марта 1944 года. Воевал на 1-м Украинском фронте.
Командир отделения 1176-го стрелкового полка сержант С.Д. Хоменко отличился в боях при прорыве долговременной обороны противника и при форсировании водных рубежей реки Сан и Висла, показав при этом мужество и геройство.
16 июля 1944 года в бою за село Торки сержант С.Д. Хоменко со своим отделением первым в батальоне ворвался в траншеи противника, гранатой уничтожил пулемётную точку противника, тем самым обеспечил беспрепятственное продвижение батальону.
24 июля 1944 года при форсировании реки Сан сержант С.Д. Хоменко первым переправился через реку, разведал брод и под сильным огнём противника через реку протянул канат, по-которому переправился весь батальон. Перейдя с отделением на западный берег реки, завязал неравный бой и отразил две вражеских контратаки, сам лично уничтожил пулемётным огнём 12 гитлеровцев и дал возможность батальону без потерь переправиться на западный берег.
29 июля 1944 года при форсировании реки Висла в районе населённого пункта Лонжак (юго-западнее города Сандомир, Польша) сержант С.Д. Хоменко со своим отделением первым переправился через реку и создал группу прикрытия переправы. Отражая контратаки противника, уничтожил огнём пулемёта 30 гитлеровцев и дал возможность батальону без потерь переправиться на западный берег.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 сентября 1944 года за образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные при этом мужество и героизм сержанту Сергею Дмитриевичу Хоменко присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда" (№ 4591).
В 1946 году демобилизовался. Жил в Киеве. Работал начальником команды ВОХР Днепровского бассейна на Киевском шлюзе. Скончался 21 января 1981 года. Похоронен в Киеве на Лукьяновском военном кладбище.
Награжден орденом Ленина (23.09.1944), медалями.