Começou a trabalhar na Globo em 1972, como apresentador do 'Jornal Hoje'. No mesmo ano, deu início à parceria com Cid Moreira na bancada do 'Jornal Nacional'. Naquela época, o cenário dos telejornais era bem diferente. Chapelin lembra que quando chegou ao 'JN', “era aquilo: uma mesinha. Tinham duas bancadinhas muito modestas, duas cadeiras de madeira, sem nenhum estofamento, sem nenhuma sofisticação. E eram ótimas para o diafragma”.

Permaneceu no telejornal até 1983, tendo sido premiado com o Troféu Imprensa de melhor apresentador em 1973 e 1976. Durante todo esse tempo, o apresentador continuou fazendo a locução em off para comerciais de TV e gravando o programa do Projeto Minerva na Rádio MEC. Para ele, sua principal virtude é saber interpretar o texto e transmitir a emoção ao público, com cuidado. E destaca que “a vantagem do telejornal é: pode mudar a abertura, o cenário, o apresentador, mas ele viverá. Alimenta-se da notícia”.

Também atuou em outros telejornais e programas jornalísticos da Globo. Em 1973, foi o primeiro apresentador do 'Globo Repórter', permanecendo no posto durante os dez anos seguintes. Nunca se esqueceu da gravação do episódio piloto. Ele conta que “era muito comum irmos, no verão, de sandália. E levávamos um paletozinho, porque não tinha maquiagem, não tinha guarda-roupa, não tinha nada. Como, para fazer o 'Jornal Nacional', eu vinha daquele jeito, fui assim gravar o programa teste para o 'Globo Repórter'. Cheguei e tinha um cenário, com poltrona, sentei lá. Só vesti paletó e gravata. Lembro que recebi um bilhete bem humorado, mas dizendo assim: ‘Chapelin, amanhã vamos gravar de novo, mas vem de sapato, meia, calça, cueca, camisa, gravata’”.

Vídeos: Sérgio Chapelin no jornalismo da Globo

Ainda em 1973, Chapelin foi o apresentador da estreia do 'Fantástico', programa no qual teria participações eventuais até 1983. Em agosto de 1974, apresentou o 'Jornal da Noite'. No mesmo mês, com a morte do locutor Heron Domingues, foi convocado para substituí-lo na apresentação do 'Jornal Internacional'. Em 1977, Sérgio Chapelin passou a apresentar o 'Jornal Amanhã'. Naquele ano, fez uma participação especial na novela 'Espelho Mágico', de Lauro César Muniz. A partir de abril de 1979, foi para o 'Jornal da Globo', onde ficou até março de 1981, quando o telejornal foi substituído pelo 'Jornal Nacional – 2ª Edição', que ele também apresentou até julho de 1982. Sérgio Chapelin deixou a Globo em 1983, contratado pelo SBT. Trabalhou na emissora durante um ano, apresentando o programa de variedades 'Show Sem Limites'.

Em 1984, de volta à Globo, Chapelin assumiu a apresentação do 'Fantástico'. Dessa época, ele destaca o anúncio que fez da morte de Tancredo Neves, em abril de 1985. O apresentador estava em um plantão de domingo à noite, devido às notícias da piora do quadro de saúde do presidente. “Eu entrei no cenário do 'Jornal Nacional' especial, preparado para a morte do Tancredo. Entrei lá com a roupa que estava no 'Fantástico'. No primeiro intervalo que deu, troquei a gravata, porque eu estava com uma muito alegre. Chegou a Leda Nagle, e ficamos os dois apresentando: entraram pessoas sendo entrevistadas, peguei aquele texto imenso contanto toda a história política do Tancredo”, relembra.

A partir de 1986, Chapelin passou a se dividir entre a apresentação do 'Fantástico' e a do 'Globo Repórter', até que, em 1989, voltou à apresentação do 'Jornal Nacional' - ainda assim, seguiu apresentando algumas edições do 'Fantástico' até maio de 1990. Na bancada do 'JN', ao lado de Cid Moreira, o apresentador anunciou as principais notícias que marcaram o Brasil e o mundo até meados da década de 1990. Tiveram destaque o início e o fim da Guerra do Golfo, o impeachment de Fernando Collor, o massacre no Carandiru, o anúncio e desdobramentos do Plano Real, o terremoto na cidade japonesa de Kobe.

Dez anos depois, em 1996, deixou o telejornal, junto com Cid Moreira. Naquele momento, o jornalismo da Globo passava por uma reestruturação, e um dos objetivos era colocar à frente dos telejornais profissionais envolvidos também com a produção das matérias. Assim, ainda em 1996, Sérgio Chapelin voltou a apresentar o 'Globo Repórter', que se tornou, segundo ele, “um programa de aventura, sempre tratando de assuntos que despertam certa curiosidade do telespectador, com linguagem de televisão”. Para ele, o segredo para o sucesso de uma boa locução é “criar um clima para as notícias, sem ser exagerado”.

No dia 29 de abril de 2005, o 'Globo Repórter' celebrou os 40 anos da Globo revelando os bastidores das produções dos programas de entretenimento e jornalismo da emissora. Para aquela edição do programa, o apresentador Sérgio Chapelin deixou os estúdios pela primeira vez e foi visitar as gravações do infantil 'Sítio do Picapau Amarelo' nos Estúdios Globo.

Em 2010, Sérgio Chapelin ganhou a companhia de Glória Maria na apresentação do 'Globo Repórter'. Após quase dez anos como apresentadora do ‘Fantástico’ e dois fora do ar – tirou licença para se dedicar a projetos pessoais –, a jornalista retornou à TV Globo como repórter exclusiva e apresentadora do ‘Globo Repórter’. Chapelin seguiu realizando reportagens fora do estúdio, como em novembro de 2011, quando lançou a série especial 'Nos Céus do Brasil'. A série foi concebida para explorar e desvendar os segredos dos principais biomas brasileiros sob um ângulo diferente, a bordo de um imenso balão. Em março de 2012, o apresentador embarcou no balão do programa para explorar a caatinga, o único bioma que só existe no Brasil. “Nós temos vários programas que eu considero obras-primas”.

Em 2015, o apresentador participou das homenagens aos 50 anos da Globo. O 'Jornal Nacional' festejou as cinco décadas de jornalismo com uma série especial. O último episódio contou com uma surpresa: Cid Moreira e Sérgio Chapelin, que durante 18 anos apresentaram o telejornal, voltaram à bancada. A dupla que marcou a história do 'JN' entrou no ar para relembrar momentos marcantes de sua trajetória e de outros apresentadores. Cid e Chapelin fizeram a chamada para o último episódio da série e encerraram com o tradicional “boa noite”.

“Foi simpática da parte do William Bonner e da direção nos convidar para participar. As pessoas nos tratam muito bem, com carinho, respeito. E também foi emocionante porque muitas pessoas vieram falar comigo. Eu diria até que foi uma crueldade com o telespectador fazê-lo se emocionar tanto, porque nós somos uma lembrança forte. Quantas pessoas respondiam ao nosso ‘boa noite’?”, contou Sérgio.

Em 2018, ano dos 45 anos do 'Globo Repórter', Sérgio Chapelin fez uma análise das mudanças da atração e de seu êxito. “O programa começou com uma equipe de cinema: Paulo Gil Soares, Eduardo Coutinho, Washington Novaes, Luiz Lobo, Luiz Carlos Maciel. A proposta era ser mais um documentário. Até entrar a Silvia Sayão, que foi dando uma outra característica ao programa, que eu chamo de programa de televisão por não ter o compromisso com documentário e o factual, mas tem o compromisso de ser um programa de informação, entretenimento, cultura. Foi nessa linha que o 'Globo Repórter' ganhou fôlego. Todo mundo quer ver. Todo mundo gosta”.

Depois de 23 anos ininterruptos à frente do 'Globo Repórter', Chapelin decidiu se aposentar em 2019. Sandra Annenberg passou a apresentar o programa ao lado de Glória Maria.