Od 1951 szef Głównego Zarządu Artylerii, a następnie dowódca wojsk rakietowych i artylerii Wojsk Lądowych.
Mianowany na stopień głównego marszałka artylerii 6 maja 1961.
Po wykryciu działalności szpiegowskiej Olega Pieńkowskiego, który w latach 1944–1945 był adiutantem Wariencowa, został oskarżony o brak czujności, został w dniu 13 marca 1963 pozbawiony stopnia głównego marszałka artylerii, zdegradowany do stopnia generała majora i pozbawiony wszelkich tytułów i orderów, w tym wojennych. Został odwołany ze stanowisk partyjnych i państwowych, przeniesiony do rezerwy.
Bogusław Wołoszański w swoim programie z cyklu „Sensacje XX wieku” – Najwyższa stawka, cz. IV (1997 r.) podaje informację, że Siergiej Wariencow popełnił samobójstwo, strzelając sobie z pistoletu w głowę na moskiewskiej ulicy.
Pochowany w Moskwie, na Cmentarzu Nowodziewiczym.
Awanse gen. mjr artylerii 09 listopada 1941; gen. por. artylerii 04 lutego 1943; gen. płk artylerii 20 października 1943; marszałek artylerii 11 marca 1955; główny marszałek artylerii 06 maja 1961.