Сезон 2014/15 Сергей начал с турнира в Германии, где занял четвёртое место. В Москве через 1,5 месяца он выступил на российском этапе Гран-при. Чисто откатал короткую программу с каскадом четверной тулуп — тройной тулуп (оценка впервые превысила 90 баллов) и закрепился на втором месте. На следующий день выполнил четверной тулуп и два тройных акселя в произвольной и финишировал вторым. На последнем этапе Гран-при в Осаке Воронов после короткой программы занимал 4-е место, однако сумел собраться на произвольную и финишировал вторым. Тем самым Сергей впервые завоевал право на участие в финале Гран-при.В финале Гран-при, исполнив по одному четверному прыжку в обеих программах, выиграл бронзовую медаль, которая является первой медалью российского одиночного катания у мужчин после победы Евгения Плющенко в финале Гран-при 2004 года. На российском чемпионате выиграл произвольную программу, но по сумме двух видов уступил Максиму Ковтуну. На чемпионате Европы 2015 года в короткой программе вместо тройного акселя сделал двойной, а в произвольной ошибся при выполнении каскада четверной тулуп — тройной тулуп, став бронзовым призёром. На чемпионате мира в Шанхае в короткой программе, несмотря на ошибку в каскаде, Сергей шёл на 4-м месте. Однако сказалась старая травма, и в произвольной программе лишь с пятью тройными прыжками и досадным повтором двойного тулупа, из-за чего ему не был засчитан каскад из трёх прыжков, он был лишь на 17 месте. В середине апреля на заключительном старте сезоне на командном чемпионате мира в Японии Сергей выступил удачно в обоих видах программ и вернулся домой с серебряной медалью.