Semjon Warlamow wuchs im russischen Samara auf und erlernte dort auch das Eishockeyspiel. Er wechselte zu Lokomotive Jaroslawl und konnte dort auch mit herausragenden Leistungen auf sich aufmerksam machen.
Beim NHL Entry Draft 2006 wurde Warlamow in der ersten Runde an insgesamt 23. Position von den Washington Capitals ausgewählt. Am 11. Juli 2007 unterschrieb der Russe einen Dreijahres-Einstiegsvertrag bei den Capitals.[1] Zu Beginn der Saison 2008/09 entschied sich Warlamow für einen Wechsel nach Nordamerika. Er kam überwiegend für Washingtons FarmteamHershey Bears zum Einsatz. Sein erstes Spiel in der National Hockey League absolvierte der Torwart am 13. Dezember 2008 bei einer Partie der Capitals gegen die Montréal Canadiens. Insgesamt kam Warlamow auf sechs NHL-Einsätze während der regulären Saison. In den Play-offs 2009 verdrängte er José Théodore als Washingtons Stammtorhüter. Der Russe absolvierte insgesamt 13 Play-off-Spiele, dabei gelangen ihm zwei Shutouts.
Die NHL-Saison 2009/10 begann Warlamow als zweiter Torwart hinter Théodore. Nach einer Leistenverletzung wurde er zu den Hershey Bears geschickt, um nach seiner Verletzung Spielpraxis zu sammeln. Im März 2010 holten ihn die Capitals wieder in ihren Kader. In der Endrunde 2010 verlor Théodore erneut seinen Stammplatz an Warlamow und erhielt keinen neuen Vertrag. In der Saison 2010/11 wurde Michal Neuvirth als Stammtorhüter der Capitals vorgestellt. Warlamow absolvierte in dieser Saison 27 Spiele in der regulären Saison, war aber nach einer weiteren Leistenverletzung hinter Neuvirth und Braden Holtby nur noch Washingtons dritter Torwart.
Anfang Juli 2019 unterzeichnete er als Free Agent einen Vierjahresvertrag bei den New York Islanders, der ihm ein durchschnittliches Jahresgehalt von fünf Millionen US-Dollar einbringen soll. Seinen Platz als Stammtorhüter dort verlor er allerdings in der Spielzeit 2021/22 an seinen Landsmann Ilja Sorokin.
Für Russlands Herren-Nationalmannschaft nahm er an den Olympischen Winterspielen 2010 teil, war allerdings hinter Jewgeni Nabokow und Ilja Brysgalow nur dritter Torwart und kam zu keinem Einsatz. Bei der anschließenden Weltmeisterschaft 2010 erspielte er sich mit der russischen Mannschaft nach einer Finalniederlage gegen die tschechische Auswahl die Silbermedaille und absolvierte dabei fünf Spiele. In der Folge wurde er mit der Sbornaja2012 Weltmeister, wobei Warlamow keines seiner acht Spiele verlor, ehe er auch bei Olympia 2014 debütierte. Des Weiteren vertrat er sein Heimatland beim World Cup of Hockey 2016.
(Legende zur Torhüterstatistik: GP oder Sp = Spiele insgesamt; W oder S = Siege; L oder N = Niederlagen; T oder U oder OT = Unentschieden oder Overtime- bzw. Shootout-Niederlage; Min. = Minuten; SOG oder SaT = Schüsse aufs Tor; GA oder GT = Gegentore; SO = Shutouts; GAA oder GTS = Gegentorschnitt; Sv% oder SVS% = Fangquote; EN = Empty Net Goal; 1Play-downs/Relegation; Kursiv: Statistik nicht vollständig)