С 1977 года по 1988 год работал в СМУ № 1 треста «Петрозаводскстрой», пройдя путь от мастера на стройке до главного инженера. С мая 1989 года по июнь 1990 года работал начальником проектно-строительного объединения крупнопанельного домостроения в Петрозаводске.

21 июня 1990 года был избран председателем исполкома Петрозаводского горсовета народных депутатов. В декабре 1991 года — мэром Петрозаводска.

Во время августовских событий 1991 года вместе с руководством Петрозаводска демонстративно вышел из рядов партии, принимал активное участие в массовых митингах против ГКЧП. Подверг критике бездействие властей республики в сложившейся ситуации.

В дни октябрьского кризиса 1993 года поддержал премьера Сергея Блинникова в конфликте с Верховным Советом Республики, занявшим антиельцинскую позицию.

В качестве Председателя правительства Республики Карелия получил полномочия члена Совета Федерации Федерального собрания Российской Федерации, где входил в комитет по делам федерации, федеративному договору и региональной политике.

Член партии «Единая Россия» с 22 декабря 2004 года

9 февраля 2006 года, несмотря на своё изначальное намерение отказать главе Карелии в поддержке при его переназначении по истечении губернаторского срока, Илья Клебанов представил его кандидатуру для повторного наделения полномочиями на рассмотрение президента в одном списке с «техническими» кандидатами Павлом Черновым и Николаем Левиным.

26 февраля 2006 года Владимир Путин внёс кандидатуру Катанандова на рассмотрение Заксобрания Карелии, и уже 3 марта депутаты единогласно утвердили его в должности Главы Республики (на 5 лет).

Крупнейшим кризисом для Республики в период правления Катанандова стали массовые беспорядки в Кондопоге в сентябре 2006 года, главной причиной которых губернатор назвал неуважительное отношение приезжих к местному населению, а также подстрекательские действия со стороны третьих сил. Сам Катанандов, в свою очередь, подвергся резкой критике со стороны Владимира Путина, после того как отправился в отпуск в Португалии, не дождавшись формирования местных органов власти Кондопожского района. Впервые в своей практике президент России до руководителя региона не смог даже дозвониться.

30 июня 2010 года Катанандов по собственному желанию досрочно сложил полномочия главы республики, хотя срок полномочий истекал лишь в марте 2011 года

С 22 сентября 2010 года — член Совета Федерации Федерального Собрания РФ от исполнительной власти Республики Карелия. В Совете Федерации Сергей Катанандов занял пост первого заместителя Комитета по федеративному устройству, региональной политике, местному самоуправлению и делам Севера, а также вошёл в Комиссию по вопросам развития институтов гражданского общества и Комиссию по взаимодействию со Счётной палатой Российской Федерации.С 1977 года по 1988 год работал в СМУ № 1 треста «Петрозаводскстрой», пройдя путь от мастера на стройке до главного инженера. С мая 1989 года по июнь 1990 года работал начальником проектно-строительного объединения крупнопанельного домостроения в Петрозаводске.

21 июня 1990 года был избран председателем исполкома Петрозаводского горсовета народных депутатов. В декабре 1991 года — мэром Петрозаводска.

Во время августовских событий 1991 года вместе с руководством Петрозаводска демонстративно вышел из рядов партии, принимал активное участие в массовых митингах против ГКЧП. Подверг критике бездействие властей республики в сложившейся ситуации.

В дни октябрьского кризиса 1993 года поддержал премьера Сергея Блинникова в конфликте с Верховным Советом Республики, занявшим антиельцинскую позицию.

В качестве Председателя правительства Республики Карелия получил полномочия члена Совета Федерации Федерального собрания Российской Федерации, где входил в комитет по делам федерации, федеративному договору и региональной политике.

Член партии «Единая Россия» с 22 декабря 2004 года

9 февраля 2006 года, несмотря на своё изначальное намерение отказать главе Карелии в поддержке при его переназначении по истечении губернаторского срока, Илья Клебанов представил его кандидатуру для повторного наделения полномочиями на рассмотрение президента в одном списке с «техническими» кандидатами Павлом Черновым и Николаем Левиным. 26 февраля 2006 года Владимир Путин внёс кандидатуру Катанандова на рассмотрение Заксобрания Карелии, и уже 3 марта депутаты единогласно утвердили его в должности Главы Республики (на 5 лет).

Крупнейшим кризисом для Республики в период правления Катанандова стали массовые беспорядки в Кондопоге в сентябре 2006 года, главной причиной которых губернатор назвал неуважительное отношение приезжих к местному населению, а также подстрекательские действия со стороны третьих сил. Сам Катанандов, в свою очередь, подвергся резкой критике со стороны Владимира Путина, после того как отправился в отпуск в Португалии, не дождавшись формирования местных органов власти Кондопожского района. Впервые в своей практике президент России до руководителя региона не смог даже дозвониться.

30 июня 2010 года Катанандов по собственному желанию досрочно сложил полномочия главы республики, хотя срок полномочий истекал лишь в марте 2011 года

С 22 сентября 2010 года — член Совета Федерации Федерального Собрания РФ от исполнительной власти Республики Карелия. В Совете Федерации Сергей Катанандов занял пост первого заместителя Комитета по федеративному устройству, региональной политике, местному самоуправлению и делам Севера, а также вошёл в Комиссию по вопросам развития институтов гражданского общества и Комиссию по взаимодействию со Счётной палатой Российской Федерации.