Apja Riga főépítésze volt, a kiváló memóriájú és ragyogó fantáziával megáldott, tudásra vágyó kis Szerjozsa polgári nevelést kapott – már kisgyerekként folyékonyan olvasott németül, angolul, franciául. Pétervárott építészmérnöknek tanult, de kacérkodott a színházzal és a művészetekkel is. Az 1917-es forradalmak után propagandista lett, majd csatlakozott a Vörös Hadsereghez, 1920-tól a hadsereg iskolájában a japán nyelvvel és a kabuki színház formavilágával foglalkozott.

A figyelmet először a moszkvai Proletkult színház tagjaként Jack London A mexikói című munkájának színpadra állításával hívta fel magára, 1923-ban Majakovszkij LEF című folyóiratában Attrakciók montázsa címmel "kiáltványban" foglalta össze művészeti nézeteit. Ugyanebben az évben megrendezte Osztrovszkij A bölcs című darabját, s a siker nyomán lehetőséget kapott, hogy Glumov naplója címmel rövidfilmet készítsen a darab főszereplőjének monológjából.

Első nagyjátékfilmjében, az 1924-ben forgatott Sztrájkban már a metafora, a montázs és a ritmus mestereként mutatta meg magát, ezután kapta a megbízást, hogy készítsen filmet az 1905-ös polgári forradalom huszadik évfordulójára. A szűkös határidő miatt a Patyomkin cirkáló legénységének lázadására koncentrált, így született meg a filmtörténet egyik legnagyobb hatású alkotása, a Patyomkin páncélos. A bemutatóra a stábot matrózruhába öltöztette, az előcsarnokot pedig a tengerészet zászlóiával lobogóztatta föl. Az antik tragédia felépítését követő film főszereplője a tömeg, s a forradalmian új vágástechnika a világ leghíresebb rendezői közé emelte, a halott emberekkel teli lépcsőn lebukdácsoló babakocsi a filmtörténet egyik legikonikusabb jelenete.

Következő némafilmjében ismét a történelemhez nyúlt – 1927-ben elkészítette az Október című filmdrámát az 1917-es bolsevik hatalomátvétel (akkori megfogalmazás szerint szocialista forradalom) tizedik évfordulójára, az 1929-es Régi és Új című alkotása a kollektivizálásról szól.

A harmincas évek elején külföldön tanulmányozta a hangosfilmet, megismerkedett Fritz Langgal, Cocteau-val, Chaplinnel és Walt Disneyvel. Megállapodása szerint Hollywoodban írt volna forgatókönyveket, belefogott Que viva Mexico című filmjének munkálataiba, ám a monumentális alkotás torzó maradt, mert Sztálin hazarendelte. A hazájában ellehetetlenülő művész ötleteit sorra elvetették, így filmelmélettel foglalkozott és tanított. Miután Bezsini rét című filmjét a cenzúra többször is átdolgoztatta, 1938-ban annak érdekében, hogy forgathasson, a hatalom elvárása szerint nyúlt történelmi témához.

Az 1938-ban bemutatott A jégmezők lovagja Alekszandr Nyevszkij novgorodi fejedelem diadalát mutatja be a terjeszkedő német lovagrend ellen, az 1242-es Csud-tavi csatában, a propagandisztikus, hazafias alkotásért (amelynek zeneszerzője Szergej Prokofjev volt), megkapta a Lenin-díjat. A németeket gonosz hódítóknak bemutató alkotás az 1939-es Molotov-Ribbentrop paktum megkötésekor aktualitását vesztette, de 1941-ben, amikor a náci Harmadik Birodalom megtámadta a Szovjetuniót, újra előkerült, s Eisensteint Sztálin-díjjal jutalmazták.

Sztálin megrendelésére újabb, még monumentálisabb történelmi drámát kezdett forgatni Rettegett Iván cárról, de a tervezett trilógia – amelynek monumentális zenéjét ismér Prokofjev szerezte – torzóban maradt. Az 1944-ben bemutatott első rész, amelynek középpontjában a nem titkoltan Sztálinról mintázott, Oroszország egységét megteremtő cár alakja áll, elnyerte a diktátor tetszését, a rendező pedig a Sztálin-díjat. Az 1946-ban befejezett második részt azonban, amelyben a gyanakvó, mindenhol összeesküvést látó uralkodó terrorizálja, kivégezteti alattvalóit, a kommunista párt Központi Bizottsága írásban bírálta meg, Sztálin pedig betiltatta. Az alkotást, amelynek utolsó része már színesben készült, csak 1958-ban – Eisenstein halála után tíz évvel, a rendező 60. születésnapján – mutatták be.

A harmadik rész munkálatait a betiltás után azonnal leállították, az elkészült anyag nagy részét megsemmisítették, Eisensteint csak elméleti munkákat közölhetett. Az alig 50 éves rendező 1948. február 11-én egy estélyen tánc közben infarktust kapott és meghalt, hamvai a moszkvai Novogyevicsi temetőben nyugszanak. Hagyatékát filmjei mellett tanulmányai és elemzései, illetve rajzai jelentik.

Születésének 100. évfordulójára Oroszországban bélyeget és érmét adtak ki, 2005-ben az UNESCO díjat alapított emlékére. A Patyomkin páncélos 1958-ban a legtöbb szavazattal került a világ legjobb filmjeiként elismert Brüsszeli tizenkettő listájának élére, rekonstruált változatát 2005-ben a Berlini Filmfesztiválon mutatták be, s még napjainkban is minden idők legjobb filmjei között emlegetik. Az Európai Filmakadémia 2015-ben az európai filmkultúra kincsei közé választotta az odesszai Patyomkin-lépcsőt.