Семён Варламов родился в Самаре, где впервые и начал играть в хоккей при спорт школе ЦСК ВВС. В 11 лет Варламов переезжает в Ярославль, где в местной команде становится доминирующим вратарем в группе для хоккеистов 1988 г.р.. В течение сезона 2004/05 Варламов смог дебютировать в фарм-клубе команды «Локомотив» — «Локомотив-2», играя сменщиком Ивана Касутина в 1-ой Лиге (Россия 3). В течение лета 2005, Касутин был отдан в аренду «Дизелю», после чего Варламов становится основным вратарем команды на сезон 2005/06. В 2008 Семён помогает«Локомотиву» выйти в финал плей-офф Супер-лиги, где его команда в серии матчей все-таки уступила «Салавату».

Будучи выбранным на Драфте НХЛ 2006 года под общим номером 23 командой Вашингтон Кэпиталз, Варламов подписал с ними трехлетний контракт начального уровня 11 июля 2007. В преддверии сезона 2008/09 Семен переезжает в Северную Америку, где в тренировочном лагере «Столичных» демонстрирует отличные данные, тем не менее, сезон он начинает в фарм-клубе «Вашингтона» — «Херши Бэрс», который выступает в Американской Хоккейной Лиге (AHL). Свою первую игру в НХЛ Варламов провел 13 декабря 2008 против «Монреаль Канадиенс», в которой победу одержал «Вашингтон» 1:2, сам Варламов отразил 32 броска по своим воротам и был назван первой звездой матча. Его дебют на домашней арене «Вашингтона» пришёлся пятью днями позже, 18 декабря 2008 в игре против «Сент-Луиса», в которой «Столичные» победили 4:2, вратарь-вундеркинд отразил 29 бросков по своим воротам и был назван второй звездой матча. В дальнейшем Семён довольно долго не привлекался к играм за «Вашингтон», продолжая играть в его фарм-клубе. Только в феврале 2009 года Семён снова был вызван в «Вашингтон», он занял место сменщика Жозе Теодора — Брента Джонсона, который получил травму бедра. Варламов был запасным вратарем сыграв до конца сезона лишь 6 матчей (5-0-1) с 2.37 шайбами пропущенными в среднем и с отбитыми бросками 0,918 %, также выдал хорошую концовку сезона в«Херши Бэрс» (АХЛ), где в 27 играх показал результат — 19-7-1. В течение первого раунда плей-офф 2008/09 (НХЛ) против«Нью-Йорк Рейнджерс», Варламов стал основным вратарем после того как Жозе Теодор пропустил 4 шайбы в первом матче серии, который был проигран «Вашингтоном» 3:4. Во втором матче Семён вышел с первых минут, но несмотря на минимальное поражение «Вашингтона» (0:1), в дальнейшем Семёну доверили рамку ворот, и в двух из трех последующих матчах серии Семён отстоял свои ворота на ноль, отразив в третьем матче серии 33 броска соперника и став первой звездой матча и 20 бросков в пятом матче серии, став третьей звездой встречи, а его «Вашингтон» оба раза одержал победу со счётом 4:0. Во многом благодаря прекрасной игре российского вратаря, были одержаны победы в шестом (5-3) и седьмом (2-1) матчах серии. Семён был признан, соответственно, второй и первой звездой этих встреч, а его клуб победил в серии 4-3.

В серии против «Питтсбург Пингвинс», при безобразнейшей игре «Вашингтона» в обороне, во многом благодаря прекрасной игре Варламова серия растянулась на семь игр. В первых трёх Варламов признавался одной из звёзд матча (1-й матч — первая звезда, 2-й и 3-й — третья). Но, несмотря на это, стараний молодого голкипера и лидера «Кэпиталс» Александра Овечкина не хватило для победы в серии. «Вашингтон» проиграл — 3-4. Сэйв Варламова — один из лучших в сезоне 2008-09.^[1]

1 июля 2011 года обменян в "Колорадо Эвеланш". На следующий день 2 июля подписал с ними трехлетний контракт на сумму 8.5 млн долларов. В новом клубе получил 1-й номер.