2009年7月5日、ノースカロライナ州グリーンズボロのグリーンズボロ・コロシアムでダニエル・チャベスとライトヘビー級4回戦を行い、初回55秒TKO勝ちを収めデビュー戦を白星で飾った。2010年10月9日、ジョージア州アトランタでダーネル・ブーンとライトヘビー級8回戦を行い、8回2-1（2者が76-75、75-76）の判定勝ちを収めた。2011年12月5日、エカテリンブルクのDIVSでABCOライトヘビー級王者のローマン・シマコフと対戦し、7回47秒TKO勝ちを収めた。試合後、シマコフはリングから担架で運び出される時には意識があったが意識を失い急遽病院に搬送され、開頭手術の甲斐なく意識を回復しないまま同月8日に死亡した。2012年6月1日、ペンシルベニア州ベスレヘムでダーネル・ブーンとライトヘビー級8回戦を行い、2回1分32秒TKO勝ちを収め1年8ヵ月ぶりの再戦を制した。なおこの試合でメインイベンツのケーシー・デュバと契約を交わした。2013年1月19日、コネチカット州アンカスビルのモヒガンサンで元WBA世界ライトヘビー級王者のガブリエル・カンピージョとライトヘビー級10回戦を行い、3回1分30秒TKO勝ちを収めた。2013年6月14日、ペンシルベニア州ベスレヘムでコーネリアス・ホワイトとIBF世界ライトヘビー級1位決定戦を行い、3回1分42秒TKO勝ちを収めIBF世界ライトヘビー級1位の座を獲得した。同日にIBF世界ライトヘビー級王者バーナード・ホプキンスの初防衛戦が中止になったこともあり、ホプキンスへの挑戦に意欲を見せた。2013年8月17日、カーディフのモーターポイント・アリーナ・カーディフでWBO世界ライトヘビー級王者のネイサン・クレバリーと対戦し、4回29秒TKO勝ちを収め王座獲得に成功した。2013年11月30日、HBOデビュー戦としてカナダ・ケベック・シティのコリシー・ペプシでWBO世界ライトヘビー級15位でNABF北米ライトヘビー級王者のイスマエル・シラクと対戦し、2回52秒KO勝ちを収め、初防衛に成功した。2014年3月29日、ニュージャージー州アトランティックシティのボードウォーク・ホール・ダンスホールでUSBA全米ライトヘビー級王者でWBO世界ライトヘビー級15位のセドリック・アグニューと対戦し、7回58秒KO勝ちを収め、2度目の防衛に成功した。2014年8月2日、アトランティックシティのレベル・アトランティックシティで元IBO世界ライトヘビー級王者でWBO世界ライトヘビー級10位のブレイク・キャパレロと対戦し、2回1分47秒TKO勝ちを収め、3度目の防衛に成功した。2014年8月20日、WBOはコバレフをWBOの2014年8月度の月間MVPに選出した。2014年10月31日、WBOから2014年度年間最優秀選手賞に選ばれた。2014年11月8日、ボードウォーク・ホールでWBA・IBF世界ライトヘビー級スーパー王者のバーナード・ホプキンスと王座統一戦を行い、12回3-0（2者が120-107、120-106）の判定勝ちを収め王座統一に成功、WBA・IBF王座の獲得、WBO王座の4度目の防衛に成功した。コバレフはこの試合で50万ドル（5000万円）のファイトマネーを稼いだ。2014年11月12日、WBAはコバレフをWBAの2014年10月度の月間MVPに選出した。11月15日、WBOはコバレフをWBOの2014年11月度の月間MVPに選出した。2015年3月14日、本来であればIBF世界ライトヘビー級1位のナジブ・モハメディと対戦しなければなからなかったが、コバレフ側がIBFに2万ドルを支払うことで対戦を延期し、モントリオールのベル・センターで元WBC世界ライトヘビー級王者でWBO世界ライトヘビー級1位のジャン・パスカルと対戦し、8回1分3秒TKO勝ちを収めWBA・IBF王座の初防衛に成功し、WBO王座の5度目の防衛にも成功した。なお、WBCはこの試合の勝者にWBC世界ライトヘビー級ダイヤモンド王座を与えると通知していた為、勝者のコバレフにはWBC世界ライトヘビー級ダイヤモンド王座が贈られた。このことに対して、WBOのフランシスコ・バルカルセル会長は一つの団体が一階級に多数の王者を認めることで、ファンは混乱するし世界王者の価値を損なう事にもなると批判の声を上げた。2015年3月27日、WBCがセルゲイ・コバレフとアドニス・ステベンソンに対し王座統一戦を行うよう指令を出した。対戦交渉が合意に至らなければ同年4月17日に入札が行われるとのこと。2015年4月4日、WBCはコバレフをWBCの2015年4月度の月間MVPに選出した。4月10日、WBAはコバレフを2015年3月度の月間MVPに選出した。2015年4月14日、コバレフ側がアドニス・ステベンソン戦の入札を辞退すると発表した。2015年7月25日、マンダレイ・ベイ・イベント・センターでWBA世界ライトヘビー級2位でIBF世界ライトヘビー級1位のナジブ・モハメディと対戦し、3回2分38秒KO勝ちを収めWBA・IBF王座は2度目、WBO王座は6度目の防衛に成功した。2015年8月10日、WBOはコバレフをWBOの2015年8月度の月間MVPに選出した。8月12日、WBAはコバレフをWBAの2015年7月度の月間優秀選手賞に選出した。2015年11月、WBCの年次総会でWBC世界ライトヘビー級王者アドニス・ステベンソンと指名試合を行うよう指令が出された。2016年1月30日、カナダのモントリオールのベル・センターでWBO世界ライトヘビー級3位で元WBC世界ライトヘビー級王者のジャン・パスカルと再戦し、4回と5回にストップ寸前まで追い詰め、十分に痛めつけて7回終了時棄権によるTKO勝ちを収めWBA・IBF王座は3度目、WBO王座は7度目の防衛に成功した。当初は2015年11月28日モスクワで対戦する予定だった。試合後にリングに上がってきたアドニス・ステベンソンに向かって中指を立て「俺と試合をしろ"チキン"ソン」と発言。それに続き鶏の鳴き声を真似て挑発しあわや一触即発状態になった。2016年2月1日、WBOはコバレフをWBOの2016年2月度の月間MVPに選出した。2月15日、WBAはコバレフをWBAの2016年1月度の月間MVPに選出した。2016年7月11日、エカテリンブルクのDIVSでWBA世界ライトヘビー級12位でWBO世界ライトヘビー級11位で元IBO世界スーパーミドル級王者のアイザック・チレンバと対戦し、12回3-0（117-110、116-111、118-109）の判定勝ちを収めWBA・IBF王座は4度目、WBO王座は8度目の防衛に成功した。HBOがロシアから録画中継し、異例となるワールドチャンピオンシップボクシングの月曜日放送を行った。2016年7月20日、WBAはWBA・IBF・WBO世界ライトヘビー級スーパー王者セルゲイ・コバレフとWBA世界ライトヘビー級正規王者のユルゲン・ブリーマーに対し王座統一戦に関する対戦交渉を同日から開始し、同年8月19日までの30日以内に対戦交渉で合意するよう指令を出した。合意に至らなければ入札になるとのこと。2016年8月11日、WBAは最新ランキングを発表し、WBAの2016年7月度の月間優秀選手賞に選出した。2016年11月19日、T-モバイル・アリーナでWBA世界ライトヘビー級2位でIBF世界ライトヘビー級1位でWBO世界ライトヘビー級1位で元WBA・WBC世界スーパーミドル級スーパー王者のアンドレ・ウォードと対戦し、プロ初黒星となる12回0-3（3者共113-114）の判定負けを喫しWBA・IBF王座の5度目、WBO王座の9度目の防衛に失敗、王座から陥落した。2017年6月17日、マンダレイ・ベイ・イベント・センターでWBA・IBF・WBO世界ライトヘビー級スーパー王者のアンドレ・ウォードと対戦し、8回2分29秒TKO負けを喫しWBAスーパー王座、IBF王座並びにWBO王座への返り咲きに失敗した。2017年11月25日、マディソン・スクエア・ガーデン・シアターでアンドレ・ウォードの引退に伴いWBO世界ライトヘビー級10位のビャチェスラフ・シャブランスキーとWBO世界ライトヘビー級王座決定戦を行い、2回2分36秒TKO勝ちを収め王座返り咲き、IBA王座とEBP（ユーラシアボクシング会議）王座を獲得した。2018年3月3日、ニューヨークのマディソン・スクエア・ガーデン・シアターでIBO世界ライトヘビー級王者でWBO世界ライトヘビー級4位のイゴール・ミカルキンと対戦し、7回2分25秒TKO勝ちを収めWBO王座とEBP王座の初防衛に成功した。2018年8月4日、アトランティックシティのハード・ロック・ホテル＆カジノ・アトランティックシティ内エテズス・アリーナにて、WBO世界ライトヘビー級8位のエレイデル・アルバレスと対戦し、7回KO負けで王座防衛に失敗、王座から陥落した。2019年1月20日、前年の2018年6月9日にビッグ・ベアー・レイクで口説くのに失敗した女性の顔面を殴り、鼻骨骨折や頸椎椎間板ヘルニアなどの大怪我を負わせた容疑で逮捕されていたことが発覚した。コバレフは無罪を主張している。2019年2月2日、テキサス州フリスコのザ・フォードセンター・アット・ザ・スターでWBO世界ライトヘビー級王者のエレイデル・アルバレスと対戦し、12回判定勝ちを収め、王座獲得に成功した。2019年7月29日、7月15日にフロリダ州のフォートローダーデール・ハリウッド国際空港で、コバレフが隣りに座っていた女性乗客の手を掴んで無理やりキスをしてから金を投げつけたとして、その女性客が搭乗員に泣いて訴えたため、コバレフは飛行機への搭乗を拒否され飛行機から降ろされていたことが発覚した。コバレフはまた他の乗客たちとも激しい口論をしていたとされている。