Родился в семье инженера и архитектора, с 1917 года действительного статского советника, Михаила Осиповича Эйзенштейна (1867—1921) и Юлии Ивановны (урождённой Конецкой), дочери состоятельного купца.

В 1909 году родители развелись, и по решению суда мальчик остался с отцом. Окончил Рижское реальное училище, учился в Петроградском институте гражданских инженеров. Весной 1918 года Эйзенштейн вступил добровольцем в Красную армию.

В 1920 году Эйзенштейна направили в Академию Генерального штаба, где он учился на восточном отделении (японский язык). Эйзенштейн поступил художником в Первый рабочий театр Пролеткульта. В 1921—1922 годах обучался в Государственных высших режиссёрских мастерских (ГВЫРМ) под руководством Всеволода Мейерхольда. Был режиссёром театра Пролеткульта («Мексиканец», «Слышишь, Москва», «Противогазы», «Мудрец»), преподавал различные дисциплины. Эйзенштейн тесно сотрудничал с группой Владимира Маяковского, в его журнале «ЛЕФ» в 1923 году опубликовал свой творческий манифест «Монтаж аттракционов».

В 1924 году Эйзенштейн снимает полнометражный фильм «Стачка», который получает в 1925 году на Международной выставке современных декоративных и промышленных искусств в Париже серебряную медаль. Комиссия Президиума ЦИК СССР поручает Эйзенштейну постановку эпопеи «1905 год». В связи со сжатыми сроками Эйзенштейн сокращает замысел до эпизода восстания моряков на броненосце «Князь Потёмкин Таврический». Картину показали 24 декабря 1925 года в Большом театре на торжественном заседании в честь 20-летия революции 1905 года. В 1952 году в списке десяти лучших фильмов всех времён и народов, составленном 58 кинорежиссёрами Европы и Америки по предложению Бельгийской Синематеки, «Броненосец „Потёмкин“» занял первое место. В 1927 году Эйзенштейн снял фильм «Октябрь», в котором впервые в художественном кино показан образ Ленина (в исполнении рабочего Никандрова).

В октябре 1928 года Эйзенштейн вместе со своей съёмочной группой, куда входили Григорий Александров и оператор Эдуард Тиссэ, отправился в путешествие за рубеж с целью изучения западного опыта. Это была официальная поездка, целью которой было дать возможность Эйзенштейну и его съемочной группе больше узнать о звуковом кино, а также лично представить капиталистическому западу известных советских артистов. Последующие 2 года Эйзенштейн много путешествовал и выступал по берлинскому радио, читал лекции в Гамбурге, Берлине, Лондоне и Кембриджском университете, Антверпене, Амстердаме, сделал доклад «Интеллектуальное кино» в Брюссельском университете. В Швейцарии в 1929 году Эйзенштейн выступал в качестве консультанта образовательного документального фильма об абортах, режиссером которого был Эдуард Тиссэ. Фильм вышел под названием «Frauennot - Frauenglück» («Горе и радость женщины»)

В 1930 году он заключил контракт с кинокомпанией Paramount Pictures на экранизацию романа Теодора Драйзера «Американская трагедия». Вместе с Айвором Монтегю и Григорием Александровым при содействии Драйзера начал работу над сценарием. Через месяц Paramaunt отказалась от его сценария. С помощью писателя Эптона Синклера Эйзенштейн приступил к съёмкам фильма «Да здравствует Мексика!». Однако после того, как было отснято 75 тысяч метров, Сталин направил ему телеграмму с предложением вернуться в СССР. После возвращения в 1932 году Эйзенштейн занялся научной и педагогической деятельностью, стал заведующим кафедрой режиссуры Государственного института кинематографии, в 1935 году получил звание заслуженного деятеля искусств РСФСР. Эйзенштейн писал статьи, составил проект программы по теории и практике режиссуры, на основе прочитанных лекций начал собирать книгу «Режиссура».

Весной 1935 года Эйзенштейн начал работать над сценарием «Бежин луг». Сценарий к фильму был написан драматургом, бывшим чекистом Александром Георгиевичем Ржешевским. Сюжетом фильма была коллективизация сельского хозяйства, сочетавшая радужные и трагические краски и опиравшаяся на историю Павлика Морозова. Первый вариант фильма, просмотренный в незаконченном виде, в отсутствие самого Эйзенштейна (который был болен) был подвергнут резкой критике. Эйзенштейн был вынужден переработать фильм, он переписал сценарий, заменил нескольких актёров и вместо сцены разгрома церкви («преображения в клуб»), вызвавшей наибольшую критику, он ввел динамическую сцену борьбы с пожаром. Тем не менее, в 1937 году по идеологическим соображениям приказом по Главному управлению кинематографии работа была прекращена. Съёмка была приостановлена после просмотра в черновом монтаже в Главном Управлении кинематографии, а отснятый материал был забракован. По словам Эйзенштейна, до завершения двухлетних съёмок ему тогда не хватало 11 дней. В качестве репрессивной меры режиссёр был отлучён от преподавательской деятельности (восстановлен после съёмок фильма «Александр Невский»), а сам фильм смыт. Позднее единственный экземпляр фильма сгорел при бомбежке Мосфильма во время Второй мировой войны[источник не указан 374 дня]. От фильма остались обрезки пленки, черновики, фотографии и планы, из которых позже был составлен фотофильм.

В 1938 году Эйзенштейн написал сценарий историко-патриотического фильма «Александр Невский». За фильм Эйзенштейн получил орден Ленина, учёную степень доктора искусствоведения (без защиты диссертации) и Сталинскую премию первой степени. С 1941 по 1946 год режиссёр снимал фильм «Иван Грозный». Съёмки начались в Москве, затем, после эвакуации студии «Мосфильм» в 1942 году, были продолжены в Алма-Ате. Главную роль сыграл Николай Черкасов. Картина вышла на экраны в начале 1945 года. За первую серию он получил Сталинскую премию первой степени , вторая серия была запрещена и вышла в 1958 году; съемки третьей прекращены. В годы войны участвовал в деятельности Еврейского антифашистского комитета, принял участие в съёмках пропагандистского короткометражного фильма на английском языке «To the Jews of the World» (К евреям мира) и в радиопрограмме «To Brother Jews of All the World» (К братьям евреям всего мира, июль 1941), в которых призывал англоязычных евреев к единству в борьбе с фашизмом.

Сергей Эйзенштейн умер от сердечного приступа в ночь с 10 на 11 февраля 1948 года, когда он работал над статьей «Цветовое кино». Предпоследний инфаркт случился с ним во время танца на вечере с актрисой Верой Марецкой.