Родился 25 сентября 1920 г. в селе Белозерка (Херсонская губерния Украинской ССР) в семье крестьян Федора Петровича Бондарчука и Татьяны Васильевны Токаренко.
В детстве проживал с родителями в Таганроге и Ейске (ныне Ростовская обл. и Краснодарский край соответственно). В школе посещал театральный кружок, в 1937-1938 гг. выступал в Ейском драматическом театре.
В 1938-1941 гг. Сергей Бондарчук занимался в театральном училище в Ростове-на-Дону. В 1941-1942 гг. был актером фронтового театра в г. Грозном. В 1942 г. призван в Красную армию. Участвовал в Великой Отечественной войне, оборонял Кавказ. Демобилизовался в 1946 г. в звании рядового.
В 1946 г. в Москве был принят на третий курс Всесоюзного государственного института кинематографии (ныне Всероссийский государственный институт им. С. А. Герасимова). Выпускник мастерской педагогов Сергея Герасимова и Тамары Макаровой.
В 1948 г. Сергей Бондарчук дебютировал в качестве киноактера, исполнив роль подпольщика Андрея Валько в экранизации романа Александра Фадеева "Молодая гвардия" (режиссер Сергей Герасимов). Широкую известность ему принесла роль поэта Тараса Шевченко в одноименном историко-биографическом фильме Игоря Савченко (1951). Впоследствии Бондарчук снялся в более чем 30 фильмах. Среди его ролей: Дмитрий Коростелев в мелодраме "Сережа" (1960, Игорь Таланкин и Георгий Данелия), доктор Астров в экранизации пьесы Антона Чехова "Дядя Ваня" (1970, Андрей Кончаловский), отец Сергий в одноименном фильме по повести Льва Толстого (1978, Игорь Таланкин), кардинал Монтанелли в драме "Овод" по мотивам романа Этель Лилиан Войнич (1980, Николай Мащенко).
Сергей Бондарчук был одним из наиболее известных советских кинорежиссеров. Его первым фильмом стала драма "Судьба человека" по рассказу Михаила Шолохова (1959), в которой он исполнил главную роль - Андрея Соколова. Мировую известность ему принесла экранизация романа-эпопеи Льва Толстого "Война и мир" (1965-1967; в 1969 г. была удостоена американских кинопремий "Оскар" и "Золотой глобус" в категории "Лучший фильм на иностранном языке"). Он же сыграл роль Пьера Безухова.
В 1970 г. поставил историческую драму "Ватерлоо" (СССР - Италия; в 1971 г. отмечена итальянской национальной кинопремией "Давид ди Донателло" в номинации "Лучший фильм").
В 1975 г. Сергей Бондарчук снял военный фильм "Они сражались за Родину" по роману Михаила Шолохова, исполнил в нем роль рядового Ивана Звягинцева. В 1977 г. поставил драму "Степь" по мотивам повести Антона Чехова.
В 1982 г. состоялась премьера дилогии Сергея Бондарчука "Красные колокола", снятой в сотрудничестве с итальянскими и мексиканскими кинематографистами. Первый фильм, "Мексика в огне", посвящен революции 1910 г. в этой стране. Вторая часть, "Я видел рождение нового мира", повествует о событиях 1917 г. в России. Основой для фильмов послужили книги американского журналиста Джона Рида "Восставшая Мексика" и "Десять дней, которые потрясли мир".
В 1986 г. Сергей Бондарчук осуществил экранизацию исторической трагедии Александра Пушкина "Борис Годунов" (СССР - Польша - ФРГ - Чехословакия), исполнил в ней заглавную роль. В том же году поставил в Государственном академическом Большом театре оперу Петра Чайковского "Мазепа".
Последней работой режиссера стал драматический телесериал "Тихий Дон" по роману Михаила Шолохова. Съемки проходили в начале 1990-х гг. с участием кинематографистов России, Великобритании и Италии. Из-за банкротства фирмы итальянского продюсера отснятые киноматериалы более десяти лет находились за пределами России. В 2005 г. они были выкуплены Первым каналом, окончательный монтаж сериала осуществил сын режиссера - Федор Бондарчук. Премьера "Тихого Дона" состоялась в 2006 г. на Первом канале.
С 1970-х гг. преподавал во ВГИКе, был профессором вуза.
Сергей Бондарчук скончался 20 октября 1994 г. в Москве на 75-м году жизни. Похоронен на столичном Новодевичьем кладбище.
В 1963-1990 гг. Сергей Бондарчук был депутатом Верховного совета РСФСР.
В 1971-1986 гг. являлся секретарем правления Союза кинематографистов СССР.
Герой Социалистического Труда (1980).
Народный артист СССР (1952).
Был награжден орденами Ленина (1967, 1980), Трудового Красного Знамени (1970), Октябрьской Революции (1974), Отечественной войны II степени (1985), медалями.
Лауреат Сталинской премии I степени (1952), Ленинской премии (1960), Государственной премии РСФСР им. братьев Васильевых (1977), Государственной премии Украинской ССР им. Т. Г. Шевченко (1982), Государственной премии СССР в области литературы, искусства и архитектуры (1984).
В 1981 г. выпустил книгу "Желание чуда".
Был трижды женат. Первая супруга - Евгения Белоусова. Сын - Алексей (род. 1944, математик). Вторая жена - народная артистка СССР Инна Макарова (1926-2020). Дочь - заслуженная артистка РСФСР, актриса и режиссер Наталья Бондарчук (род. 1950). Третьей супругой была народная артистка РСФСР Ирина Скобцева (1927-2020). Дочь - актриса Елена Бондарчук (1962-2009). Сын - актер и режиссер Федор Бондарчук (род. 1967).