В марте 1919 года записался добровольцем в Красную армию. Шла Гражданская война. В городе везде висели плакаты «Ты записался добровольцем?». Сергей Варенцов записался. Но отцовского позволения не спросил. Когда Сергей Александрович узнал о вольности старшего сына, сказал: «Не пойдёшь. Мне в семье солдат не нужен. Будешь бухгалтером!» Сын не послушался. Тогда отец снял с него сапоги и спрятал. Сказал: «Хочешь воевать? Иди босиком! Там тебе сапоги выдадут!»
Вскоре Сергей Варенцов оказался на Южном фронте. Его зачислили в 5-й Курский революционный полк краскома М. Е. Трунова в перевязочный взвод. Служба в санитарной команде нелёгкая. Вдобавок ко всему — грязь, кровь, вши. Заболел тифом. Когда кризис миновал, выздоравливающего направили на родину. Так было принято. Мать, братья и сёстры были рады. Отец посмотрел в глаза и спросил: «Навоевался? Теперь-то — куда?» И Сергей показал бумагу о новом назначении — в Дмитровский гарнизон, для несения гарнизонной и караульной службы. Отец махнул рукой. С бухгалтерским будущим было покончено. Но с цифрами, как оказалось, — нет.
Однажды начальник гарнизона вызвал его к себе и сказал: ты, мол, красноармеец Варенцов, человек молодой, образованный, давай-ка дуй на учёбу, тут мне разнарядка пришла… И выправил ему направление на командные курсы тяжёлой артиллерии, которые в то время находились в Детском селе под Петроградом.
Началась учёба. Артиллерия ему нравилась. Мощь огня! Устройство, конструкция орудий восхищали своей простотой, в отличие от винтовки, большими размерами и надёжностью. Да ещё конные запряжки. Предстояла служба среди лошадей. А любовь к лошадям у него появилась ещё раньше любви к артиллерии. Она сохранилась на всю жизнь — Сергей Сергеевич был страстным коллекционером разнообразных фигурок лошадей.
Когда в главной базе Балтийского флота Кронштадте вспыхнул вооружённый мятеж матросов, солдат кронштадтского гарнизона и бывших офицеров под лозунгом «Советы без коммунистов!», курсантов Высшей артиллерийской школы сразу же бросили на его подавление.
Известно, что некоторые будущие полководцы тоже прошли свой путь по кронштадтскому льду. Маршал И. С. Конев, командующий 5-й ударной армией и первый комендант Берлина Н. Э. Берзарин, генерал М. А. Рейтер. Можно предположить, что кто-то лёг в братскую могилу на Якорной площади. Ведь в рядах атакующих крепость были в основном курсанты. До своих больших звёзд они не дожили.
После курсов Варенцов поступил на учёбу в 1-ю артиллерийскую школу. Артиллерия захватила. Учился с лёгкостью и увлечением. Экзамены сдал экстерном.
Служил в должности командира огневого взвода, был помощником командира батареи, начальником связи дивизиона тяжёлой артиллерии особого назначения Высшей артиллерийской школы комсостава в городе Луге.
Из служебной характеристики начальника связи батареи дивизиона тяжёлой артиллерии особого назначения Высшей артшколы на С. С. Варенцова, приведённой в книге Ю. Рипенко: «Хороший работник, исполнителен. Дисциплинирован и требователен. Имеет любовь к хозяйственной работе. Политически развит достаточно. Требователен к себе и к подчинённым. Здоров. Занимаемой должности соответствует. Может быть выдвинут на должность начальника связи дивизиона».
С 1927 года — командир батареи 25-го артиллерийского полка 25-й стрелковой дивизии Украинского военного округа. Вскоре, как человек образованный и к тому же владеющий педагогическими навыками, назначен начальником полковой артиллерийской школы.
В том же году от Кременчугского облисполкома получил наградной именной револьвер.
Из характеристики 1928 года: «Сильная воля, решительный, бурная энергия, прям, требователен к себе и к подчинённым, военная и общая подготовка, специальная артиллерийская, знания других родов войск вполне удовлетворительные.
Во всех отношениях подготовленный командир для занимаемой должности. Занимаемой должности вполне соответствует. Необходимо послать на основное отделение АКУКС для повышения знаний».
Артиллерийские курсы усовершенствования командного состава Варенцов окончил в 1931 году. Служил помощником командира по строевой части. В 1935 году получил следующую аттестацию: «Обладает силой воли. Специальная подготовка хорошая, общая — удовлетворительная, хороший стрелок. Настойчив, решительный, но вспыльчив. Политически подкован хорошо. Здоров. Должности помощника командира полка по строевой части вполне соответствует, может быть выдвинут на должность командира артполка во внеочередном порядке».