Родился 25 сентября 1920 года в селе Белозёрка (Херсонская область Украины). В детстве жил в Ейске и Таганроге. Актёрская карьера Сергея началась в 1937 году в Таганрогском драматическом театре. В 1938-ом поступил в Ростовское театральное училище. Окончив заведение, служил в Театре Красной армии до 1942 года. Участвовал в Великой Отечественной войне.
После окончания войны Сергей Бондарчук поступил на актёрский факультет ВГИКа, который окончил в 1948 году. В том же году он сыграл свою первую роль в кино, в фильме «Молодая гвардия». В 1950-ом снялся в картине «Кавалер Золотой Звезды», а в 1951 получил главную роль в ленте «Тарас Шевченко», которая принесла ему всесоюзную популярность. В 1952 году ему присвоили звание народного артиста СССР. После этого он снялся ещё в десятках картин, среди которых: «Шли солдаты» (1958 год), «В Риме была ночь» (Италия, 1960), «Дядя Ваня» (1970), «Отец Сергий» (1978), «Случай в аэропорту» (1988) и многие другие. Всего Сергей Бондарчук сыграл более чем в 35 фильмах.
В 1959 году он попробовал себя в качестве режиссёра и снял свою первую картину «Судьба человека», в которой сам же сыграл главную роль. Вторая режиссёрская работа была гораздо более сложной – фильм «Война и мир», принёсший Сергею Бондарчуку мировую известность, вышел только в 1968 году. В 1970-ом снял ещё один грандиозный фильм «Ватерлоо». А в 1975-ом на экраны вышла картина «Они сражались за Родину».
В 1974 году Сергей Бондарчук стал руководителем режиссёрской и актёрской мастерской во ВГИКе.
В 1979-ом он снял очередной фильм «Степь». В 1982 и 83-ем – двухсерийную картину «Красные колокола». В 1986-ом на экранах появилась лента «Борис Годунов». Последней работой, которую Сергей Бондарчук задумал ещё в 60-х годах, был фильм «Тихий Дон» по роману Михаила Шолохова. Несмотря на иностранные инвестиции, Бондарчук не смог уложиться в бюджет, отведённый на съёмки, поэтому окончательный монтаж картины завершил только его сын в 2006 году.
Сам Сергей Бондарчук итоговой работы не увидел, он скончался от инфаркта в 1994 году.