Сергей Лукьянов родился 14 (27 сентября) 1910 года в селе Нижнее (ныне Донецкая область, Украина) в шахтёрской семье. Учился в школе, затем окончил горнорудное училище, после чего стал работать на шахте. Занимался в кружке театральной самодеятельности. В 1929 году после одного из спектаклей Лукьянову предложили попробовать себя на профессиональной сцене, и он был приглашён в Донбасский театр. В 1929 году поступил в студию при Харьковском театре имени Т. Г. Шевченко, где проучился два года.

Был актёром Харьковского Краснозаводского театра (1929—1931), МАДТ имени В. В. Маяковского (1955—1956), МХАТ (1956—1963), МАДТ имени Е. Б. Вахтангова (1942—1955; 1963—1965). В кино с 1945 года (к/к "Поединок").

С. В. Лукьянов умер 1 марта 1965 года от инфаркта во время выступления на собрании в Театре имени Е. Б. Вахтангова. Похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (участок № 6).