В 1938 году Сергей Моргунов был принят в Ступинский аэроклуб. Через два года его направляют в Качинскую военную авиационную школу. Одновременно в 1937 году принимает присягу. Летную школу он успешно окончил в ускоренном режиме, проучившись вместо двух лет только 8 месяцев. По окончании школы старший сержант Моргунов был направлен в 15-й истребительный авиационный полк, дислоцировавшийся на Дальнем Востоке.
В действующей армии с апреля 1943 года. Воевал на Северокавказском, Южном, 4-м Украинском, 1-м и 3-м Белорусских фронтах. Участвовал в освобождении Донбасса, Южной Украины, Крыма, Орла. Особо отличился в период Белорусской наступательной операции летом 1944 года, в освобождении Польши и взятии Берлина.
К сентябрю 1944 года командир эскадрильи 15-го истребительного авиационного полка (278-я истребительная авиационная дивизия, 3-й истребительный авиационный корпус, 16-я воздушная армия, 1-й Белорусский фронт) лейтенант Моргунов совершил 234 боевых вылета на Як-1, Як-7, Як-9, провел 68 воздушных боев, в которых лично сбил 22 самолета противника.
Имя этого блестящего воздушного бойца, трагически погибшего вскоре после войны, входит в первую десятку имен лучших советских асов.
…Свой первый боевой вылет младший лейтенант С. Н. Моргунов совершил на Кубани 7 апреля 1943 года, в районе станции Крымской, когда советские летчики вели тяжелые бои за превосходство в воздухе. Тогда же, в апреле, он открыл боевой счет, сбив на Як-1 сразу два вражеских истребителя Ме-109. За боевые успехи в небе Кубани в числе первых был награжден орденами Отечественной войны I и II степеней. Орден Отечественной войны I степени, которым был награжден Моргунов, имел еще двузначный номер.
Вот что пишет в своей книге «В небе «Соколы» однополчанин Сергея Моргунова Герой Советского Союза А. Н. Ситковский: «Сергей Моргунов считался одним из лучших летчиков в полку. Он навязывал противнику воздушные бои, сбивал их или обращал в бегство. Успешно выполнял поставленные задачи и приводил машину на базу без повреждений.
В небе Кубани Моргунов сбил 13 вражеских самолетов. В бою его надежно прикрывал Федор Савицкий (в конце войны старший лейтенант, 14 личных побед), способствовавший этим успешным действиям командира».
О боевых делах летчика-истребителя Моргунова так говорится в наградном листе (бой 26 сентября 1943 года): «В 9.24 на прикрытии наземных войск встретил группу бомбардировщиков Ю-87, парой внезапно атаковал ее, зажег одного «Юнкерса», который и упал. В 9.30 встретил вторую группу Ю-87 под прикрытием двух Ме-109, которые находились ниже на 500–600 метров. Товарищ Моргунов атаковал ведомого Ме-109 и с первой очереди сбил его. В 16.30 во время полета в районе прикрытия наземных войск обнаружил уходивший на свою территорию самолет противника ФВ-190, догнал и атаковал его. Опытный фашистский ас пытался уйти, но с третьей атаки Моргунов сбил вражеский самолет».
Через год он провел уже 200 боевых вылетов, в 60 воздушных боях лично сбил 12 самолетов противника… 1 июня 1944 года лейтенант С. Н. Моргунов был назначен комэском, а в конце августа командир 15-го Оршанского истребительного авиационного полка подполковник Исаков подписал его представление к званию Героя за 22 лично сбитых самолета противника.
Моргунов был мастером воздушной разведки, обладая большим мастерством, выдержкой, точным расчетом, бесстрашием и беспредельной отвагой.
На страницах армейской газеты была опубликована статья «Высокое мастерство, отвага и мужество летчика С. Н. Моргунова». В ней говорилось:
«От воздушного разведчика требуется большое умение, настоящая выдержка, дерзость, основанная на трезвом расчете, бесстрашии и отваге. Такие качества имеются у лейтенанта С. Моргунова. Не так давно получил задачу — разведать место сосредоточения тылов противника. Летчик вышел на выполнение боевого задания. Вот и цель. Высота 200–300 метров. На земле никакой вражеской техники не заметно. «Но ведь недаром же меня послали именно в этот район. Вражеские танки должны быть где-то там, внизу», — мелькнуло в голове Моргунова. Он принимает дерзкое решение — резко идет на снижение. До земли — не более 25 метров, теперь он отчетливо увидел замаскированные танки врага. Их было много. Лейтенант Моргунов уже возвращался на свой аэродром, когда наткнулся на фашистский Ю-87. Не дав врагу опомниться, советский летчик с ходу бросился в атаку и с короткой дистанции пулеметной очередью поджег «Юнкерс». Боевое задание было выполнено. Командование получило ценные сведения».
В годы войны волевой и энергичный офицер прошел боевой путь от рядового летчика до командира эскадрильи. В воздушных сражениях он проявлял большое мастерство, мужество и находчивость. Вместе со своими боевыми товарищами он прикрывал на своем «ястребке» наземные войска, защищал промышленные объекты, сопровождал бомбардировщики и штурмовики, летал в разведку.