Сергей Бондарчук родился 25 сентября 1920 года в селе Белозёрка (ныне — Херсонская область Украины) в семье крестьян Фёдора Петровича и Татьяны Васильевны. Его детство прошло в Ейске и Таганроге. Поначалу он учился в школе № 28, но в итоге окончил среднюю школу № 4 в Таганроге в 1938 году.

Учась во второй школе города Ейска, посещал театральный кружок. Актёрскую карьеру начал в Таганрогском драматическом театре (1937). Учился в Ростовском театральном училище (1938—1941). В 1941—1942 годах служил актёром в Театре Красной армии в городе Грозном. Участник Великой Отечественной войны. В 1948 году окончил актёрский факультет ВГИКа (мастерская С. А. Герасимова).

С 1948 года Бондарчук — актёр киностудии «Мосфильм» и театра-студии киноактёра. Актёрский дебют — роль коммуниста-подпольщика Валько, в фильме «Молодая гвардия». Тогда же в 1948 году, во время съёмок «Молодой Гвардии» Бондарчук женился на исполнительнице одной из главных ролей, актрисе И. В. Макаровой.Это был его второй брак. Первая жена — Евгения, сын — Алексей.

В 1950 году снялся в картине «Кавалер Золотой Звезды». Большой успех актёру принесло исполнение главной роли в фильме «Тарас Шевченко» (1951). Фильм очень понравился Сталину. Беспрецедентный случай: в возрасте 32 лет (1952) Сергей Бондарчук получает звание Народного артиста СССР, минуя промежуточные звания.

В 1955 году Бондарчук познакомился с Ириной Скобцевой. В этом же году они вместе снялись в фильме «Отелло». В 1959 году они поженились и прожили вместе 35 лет.

С 1959 года — режиссёр киностудии «Мосфильм». Режиссёрский дебют Сергея Бондарчука фильм «Судьба человека» (1959). В этом фильме он также сыграл главную роль — Андрея Соколова.

Сергей Бондарчук считается мастером грандиозных батальных сцен с многотысячной массовкой («Война и мир», «Ватерлоо»). В советское время он был одним из немногих режиссёров, которым было разрешено снимать и сниматься за железным занавесом. Бондарчук играл в фильме «В Риме была ночь» (Италия, режиссёр Роберто Росселлини) и «Битве при Неретве» (Югославия, режиссёр Велько Булайич).

С 1971 года преподавал во ВГИКе с супругой Скобцевой. С 1974 года является профессором ВГИКа и руководителем режиссёрской и актёрской мастерской. В 1971 году избран секретарём правления СК СССР. С 1972 по 1994 гг. — художественный руководитель студии «Время». Был обласкан советским руководством, входил в комиссию по похоронам Л. И. Брежнева.

В 1970—1980-х годах режиссёр осуществил несколько важных постановок и снялся в целом ряде фильмов: «Степь», «Отец Сергий», «Борис Годунов». Особенно важной для него стала картина «Они сражались за Родину» (по роману М. А. Шолохова)

В 1986 году в ходе исторического перестроечного V съезда кинематографистов СССР, Сергей Бондарчук, наряду с другими признанными фигурами советского кинематографа С. И. Ростоцким и Л. А. Кулиджановым, был забаллотирован на выборах секретариата и покинул руководство Союза кинематографистов СССР. С того момента Бондарчук начал терять авторитет и влияние, испытывая постоянные нападки за официозный подход и кумовство.

Ещё с 1960-х годов режиссёр вынашивал идею экранизации «Тихого Дона» М. А. Шолохова, но проект оказался готов к реализации только к концу 1980-х годов, когда одного только имени Бондарчука уже не было достаточно для начала съёмок. В 1990 году Бондарчук подписал контракт на съёмки совместного советско-английского фильма, при участии итальянских продюсеров. Работа над «Тихим Доном» закончилась скандалом. Итальянская сторона сообщила о том, что бюджет картины исчерпан и окончательный монтаж фильма осуществить не удалось. История завершилась только в 2006 году, когда монтаж картины завершил его сын Ф. С. Бондарчук.

С. Бондарчук скончался в четверг 20 октября 1994 в Москве от инфаркта миокарда. Перед смертью его исповедовал и причастил иеромонах Тихон (Шевкунов). Похоронен на Новодевичьем кладбище.