Родился 3 сентября 1941 г. в Уфе (Башкирская АССР, ныне Республика Башкортостан), там его родители находились в эвакуации. Его отец - Донат Исаакович Мечик - был театральным режиссером. Мать - Нора Сергеевна Довлатова - работала корректором. В 1944 г. семья вернулась в Ленинград (ныне Санкт-Петербург). Вскоре отец Довлатова ушел из семьи.
В 1959-1962 гг. учился на филологическом факультете Ленинградского государственного университета (ЛГУ) им. А. А. Жданова (ныне Санкт-Петербургский государственный университет), был отчислен.
В 1962-1965 гг. Сергей Довлатов служил во Внутренних войсках МВД СССР охранником исправительно-трудовых лагерей в Коми АССР (ныне Республика Коми).
В 1965 г. восстановился на заочном отделении филологического факультета ЛГУ. В 1966 г. перевелся на второй курс заочного отделения факультета журналистики этого вуза, был отчислен с третьего курса в 1968 г. Законченного высшего образования не получил.
После демобилизации Сергей Довлатов работал журналистом в газетах Ленинградского кораблестроительного института ("За кадры верфям") и Ленинградского оптико-механического объединения, некоторое время был литературным секретарем писательницы Веры Пановой. Был близок к ленинградской группе писателей "Горожане" (Владимир Марамзин, Игорь Ефимов, Борис Вахтин и др.), ленинградским поэтам Евгению Рейну, Анатолию Найману, Иосифу Бродскому.
В 1972-1975 гг. жил в Таллине (Эстонская ССР, ныне Эстонская Республика), работал корреспондентом газет "Советская Эстония" и "Вечерний Таллин".
В 1975-1976 гг. являлся сотрудником ленинградского журнала "Костер" (издавался для среднего и старшего школьного возраста).
В 1976-1977 гг. работал экскурсоводом в Пушкинском музее-заповеднике в Пушкинских Горах (Псковская область).
Сергей Довлатов начал писать прозу с первой половины 1960-х гг. Одними из первых стали рассказы, позднее вошедшие в книгу "Зона" (1964-1982). Они были созданы на основе личного опыта автора в годы службы лагерным надзирателем.
В 1960-х гг. рассказы Довлатова распространялись в самиздате. Официальные советские издания отказывались от публикации его произведений, так как они не соответствовали требованиям официальной советской печати. Однако в 1974 г. в журнале "Юность" был опубликован его рассказ на производственную тему "Интервью". С 1976 г. Довлатов стал нелегально печататься за рубежом, в частности, в эмигрантских журналах "Континент", "Время и мы". В том же году за публикации в зарубежной прессе он был исключен из Союза журналистов СССР.
В 1978 г. эмигрировал из СССР в США, стал жить в Нью-Йорке. С 1980 г. и до конца жизни работал на радио "Свобода", вел авторскую передачу "Писатель у микрофона". В 1980-1982 гг. был главным редактором русскоязычной газеты "Новый американец", которую издавал вместе с друзьями, литераторами-эмигрантами. В 1980-х гг. Сергей Довлатов добился известности в американских литературных кругах, регулярно печатался (в переводах на английский) в литературных журналах The New Yorker ("Нью-Йоркер"), Partisan Review ("Партизан ревью") и др.
За годы в эмиграции издал в общей сложности двенадцать книг. Основные произведения: "Невидимая книга" (1977), "Соло на ундервуде. Записные книжки" (1980), "Компромисс" (1981), "Заповедник" (1983), "Чемодан" (1986).
Первые публикации основных произведений писателя в СССР состоялись в 1989 г. в литературных журналах "Звезда", "Октябрь", "Радуга".
Характерной особенностью большинства произведений Довлатова была их автобиографичность. В своих повестях и рассказах он точно передавал стиль жизни и атмосферу круга близкой ему богемной интеллигенции, повседневную жизнь советских эмигрантов в Америке. Собственный стиль писатель называл "псевдодокументальным". По мнению исследователей его творчества, он стремился передать "ощущение реальности", узнаваемости описанных ситуаций, а не точно воспроизводить их. В этом его работы были близки к поэтике бытового анекдота.
По мотивам произведений писателя сняты художественные фильмы "По прямой" (1992, режиссер Сергей Члиянц), "Комедия строгого режима" (1992, Виктор Студенников и Михаил Григорьев), "Конец прекрасной эпохи" (2015, Станислав Говорухин), "Заповедник" (2018, Анна Матисон).
Сергей Довлатов скончался 24 августа 1990 г. в Нью-Йорке на 49-м году жизни. Похоронен там же на кладбище "Маунт-Хеброн".
Был дважды женат. Первая супруга - Ася Пекуровская. Дочь - Мария. Вторая жена - Елена Ритман. Дочь - Екатерина, сын - Николай. Также у Сергея Довлатова осталась дочь Александра, ее матерью является Тамара Зибунова.