Serge Vulliémoz effectue des études de médecine à l’Université de Lausanne, après un Master de physique de l’EPFL. Il obtient un diplôme de médecin en 2001 et se  spécialise en neurologie aux HUG (titre de spécialiste en 2007). Il passe ensuite deux ans au University College de Londres, où il effectue un PhD en imagerie de l’épilepsie. Revenu à Genève, il devient médecin adjoint agrégé dans l’unité d’EEG et exploration des épilepsies au sein du Service de neurologie des HUG. Il s’occupe notamment des épilepsies difficiles à traiter et des bilans diagnostiques en vue d’une chirurgie de l’épilepsie. Ses travaux de recherche portent  principalement sur les réseaux  neuronaux impliqués dans l’activité épileptique, étudiés grâce à la combinaison de techniques basées sur l’électroencéphalographie et l’imagerie par résonance magnétique. Il s’implique également fortement dans l’enseignement pré- et post-gradué aux scientifiques et aux cliniciens. Privat-docent de la Faculté de médecine en 2012, il est nommé professeur assistant au Département des neurosciences cliniques en 2016. Il est titularisé à la fonction de professeur associé en octobre 2019.