После школы Сергей поступил в горнорудное училище, затем работал на шахте. В свободное время принимал участие в художественной самодеятельности. В 1929 году поступил в студию при Харьковском театре им. Шевченко, в которой проучился два года. Затем работал в театрах Харькова и Донецка, пока его не пригласили в Театр им. Вахтангова.
В кино Сергей Лукьянов начал сниматься с 1944 года. Его первой работой стала роль следователя Ларцева в криминальной драме Владимира Легошина «Поединок». В своё время этот фильм стал одним из лидеров советского кинопроката – его посмотрели более 18 миллионов зрителей. Однако до настоящей славы Сергею Лукьянову было ещё далеко. В 1947 году он снялся в драме Василия Журавлёва «Мальчик с окраины». И только в 1950 году на экраны вышла музыкальная комедия Ивана Пырьева «Кубанские казаки», принёсшая Сергею Лукьянову известность.
Фильм «Кубанские казаки» имел просто невероятную популярность. Общая зрительская аудитория картины составила 40 миллионов человек, это был настоящий успех. После выхода «Кубанских казаков» на экраны Сергей Лукьянов стал одним из самых популярных, известных, любимых и востребованных советских актёров.
В 1952 году артист принял участие в ленте Всеволода Пудовкина «Возвращение Василия Бортникова». После чего снялся в таких успешных картинах, как «Дело Румянцева», «Двенадцатая ночь» и «Большая семья».
Не менее примечательны актёрские работы Сергея Владимировича Лукьянова в таких кинокартинах, как «Олеко Дундич», «Капитанская дочка», «Фома Гордеев», «Повесть пламенных лет», «Они шли на Восток» и «К Чёрному морю». Фильмы с участием актёра непременно становились хитами кинопроката, а его работы по достоинству оценивали как критики, так и зрители.
На театральной сцене Лукьянов сумел достичь не меньших успехов. До 1955 года он работал в театре имени Вахтангова, затем перешёл в театр имени Маяковского, а ещё через некоторое время – в труппу МХАТа. В 1963 году он вернулся в театр имени Вахтангова, в котором прослужил до своей кончины. Сергей Владимирович Лукьянов умер в Москве от инфаркта в Театре им. Вахтангова 1 марта 1965 года.
