Insgesamt vier Medaillen gewann Sergei Ulegin bei Weltmeisterschaften. Seinen ersten Weltmeistertitel gewann Ulegin 2002 in Sevilla, als er im Vierer-Canadier auf der 200-Meter-Strecke Erster wurde. Darüber hinaus sicherte er sich im Zweier-Canadier mit Alexander Kostoglod über 500 Meter Bronze. Eine Silbermedaille sowie zwei Goldmedaillen wurden ihm 2003 in Gainesville rückwirkend aberkannt, nachdem er wegen Dopings disqualifiziert und seine Ergebnisse annulliert wurden. 2006 gewann Ulegin in Szeged mit Alexander Kostoglod im Zweier-Canadier über 500 Meter einen weiteren Titel. In Dartmouth belegte er 2009 im Vierer-Canadier über die 200-Meter-Distanz den zweiten Platz.