Le père d'Eisenstein, Mikhaïl Eisenstein, est ingénieur municipal de la ville de Riga et exerce plus tard la même fonction à Petrograd. Il réalise de remarquables ensembles architecturaux dans le style « Art nouveau », en particulier à Riga. Sa mère déménage à Paris lorsqu'il a douze ans.
Sergueï ne s'engage pas politiquement en octobre 1917 lors de la Révolution d'octobre, mais au début de la guerre civile, en suivant le mouvement de ses condisciples de l'École des Beaux-Arts. La Russie nouvelle a besoin de propagandistes. Les artistes, notamment les caricaturistes, peuvent faire se rallier les masses illettrées au combat des Bolcheviks. Alors Eisenstein peint des bannières, des affiches sardoniques, sarcastiques, bien dans son humeur.
Il est un pionnier de l'utilisation de plusieurs techniques cinématographiques dont le montage des attractions, qu'il explique dans ses écrits théoriques et qui eurent une grande influence dans l'histoire du cinéma.
Dans ses premiers films, il n'utilise pas d'acteurs professionnels. Ses récits évitent les personnages individuels pour se concentrer sur des questions sociales notamment les conflits de classe. Les personnages sont stéréotypés et interprétés par des acteurs non professionnels.
Eisenstein est loyal envers les idéaux du communisme prônés par
Joseph Staline. Ce dernier comprend très bien le pouvoir des films en tant qu'outils de propagande, et il considère Eisenstein comme une figure controversée. La popularité et l'influence d'Eisenstein fluctuent en fonction du succès de ses films. En 1925, il tourne le Cuirassé Potemkine. La célèbre scène de la poussette descendant l'escalier est filmée le 22 septembre à Odessa. C'est la commission, chargée par le Comité central du Parti communiste d'organiser le jubilé de la révolution manquée de 1905, et qui comprend dans ses rangs le commissaire du peuple à l'Instruction publique Lounatcharski et le peintre Malevitch, qui a désigné Eisenstein pour réaliser un film commémoratif. Faute de temps, le réalisateur ne pourra traiter la totalité des événements, mais seulement l'un d'entre eux, la mutinerie intervenue sur le cuirassé. Parfois, il n'obtient pas la reconnaissance pour son travail, par exemple pour le film Octobre : Dix jours qui secouèrent le monde pour le dixième anniversaire de la prise du pouvoir par les bolcheviques.
Tout l'art de Sergueï Eisenstein s'exprime à travers ses montages uniques et l'utilisation de ce que les critiques nommeront « le cinéma-poing », forme d'expression s'opposant au « cinéma-oeil » de
Dziga Vertov. L'enchaînement des images crée un sens intrinsèque, notamment par l'utilisation de dominantes. Montage, rythmique, utilisation des couleurs (dans le dernier volet de son dernier film Ivan le terrible) mais surtout choix strict de la luminosité forment un nouveau langage cinématographique. Eisenstein théorisera tout au long de sa vie sur le cinéma, ses techniques, ses possibilités. Ainsi, alors qu'il a réalisé la quasi-totalité de ses films en muet, il publie avec Alexandrov et Poudovkine un article manifeste sur le cinéma sonore en 1928 (premier film parlant en 1938).
Parti d'URSS officiellement pour le pays, pour découvrir les techniques du cinéma sonore, Eisenstein parcourt l'Europe avant de partir aux États-Unis. Il est avec son opérateur Edouard Tissé et son assistant
Grigori Alexandrov. Il participe entre autres à un congrès de cinéastes indépendants à la Sarraz en Suisse, donne une conférence polémique à la Sorbonne, parcourt le Midi de la France, etc. Pendant ce temps-là, Alexandrov et Tissé, pour se faire un peu d'argent tout en travaillant un peu la partie sonore, acceptent de tourner ce qui sera "Romance Sentimentale", moyen métrage où l'on peine à retrouver la patte d'Eisenstein (peut-être dans les inserts d'animations ?).
En 1930, Paramount Pictures invite Eisenstein à Hollywood avec un contrat de cent mille dollars. Il arrive à New York le 20 mai. Paramount veut lui faire faire une version filmée sur la Tragédie américaine de Theodore Dreiser, mais des désaccords profonds apparaissent quant au discours et au thème du film, et l'amènent à partir en octobre.
Josef von Sternberg finit le film.
Charles Chaplin l'introduit auprès d'Upton Sinclair qui réussit à dégager des fonds pour la réalisation d'un film sur le Mexique. Eisenstein part au Mexique avec Edouard Tissé et Grigori Alexandrov où ils essaient de produire un documentaire en partie dramatisé intitulé Que Viva Mexico!. Avant qu'il ne soit terminé, Upton Sinclair stoppe la production, et Staline dans un même temps exige qu'Eisenstein retourne en Union soviétique. Ce dernier, avant de quitter le sol américain, monte rapidement quelques rushes pour les montrer à un petit auditoire. Upton Sinclair doit lui faire suivre les bobines à Moscou. Mais elles ne furent jamais envoyées. En 1933 à New York, un premier montage est réalisé par Sol Lesser, sans intervention d'Eisenstein, et exploité sous le titre Tonnerre sur le Mexique. Depuis plusieurs versions ont été créées, plus ou moins proches des intentions initiales d'Eisenstein. Que Viva Mexico! est considéré pour cela comme un film maudit, bien que ce fut de son propre aveu son préféré, en esprit.
L'incursion en Occident rend Staline plus suspicieux à l'égard d'Eisenstein, méfiance qui gagne la nomenklatura. La bureaucratie impose l'annulation des deux projets suivants et un superviseur « officiel » lui est adjoint pendant la création d'
Alexandre Nevski.
Le film suivant, tourné entre 1942 et 1944,
Ivan le terrible, a l'approbation de Staline pour la première partie au point qu'Eisenstein reçoit le Prix Staline en 1945. La deuxième partie, terminée en 1946, est en revanche censurée jusqu'en 1958, car Ivan n'y est plus décrit comme un héros mais comme un tyran paranoïaque. La troisième partie, commencée en 1946 et restée inachevée, est confisquée et en partie détruite. La deuxième partie dispose de scènes en couleurs (la fête finale), grâce à une récupération de pellicule Agfacolor nazie après la chute de Stalingrad.
Eisenstein meurt à la suite d'une hémorragie le 10(ou 11?) février 1948.