Семья жила зажиточно, имела прислугу и принимала у себя крупнейших чиновников города. Родители любили Сергея, но, будучи заняты собой, не отдавали ему должного внимания. В 1907 году, во время Первой русской революции, семья уехала в Париж. В том же году они вернулись, и Сергей поступил в рижское реальное училище. Помимо основного образования он получал уроки игры на рояле и верховой езды. Учил три языка: английский, немецкий и французский; постигал искусство фотографии, увлекался рисованием комиксов и карикатур. На Пасху и Рождество Сергей ездил к бабушке в Санкт-Петербург.
В 1912 году родители Сергея развелись. Мальчик остался жить с отцом, а мать, забрав приданое, уехала жить в Петербург, она жила за счёт игр на бирже. Теперь видеть её сын мог только на Пасху и Рождество. Как говорил сам Эйзенштейн, он относился к ней с «опасливой сыновьей привязанностью». Ребёнком Сергей старался ориентироваться на отца: например, не начал курить, потому что отец не курил. Тот в свою очередь готовил сына к будущему архитектора.
В 1915 году Эйзенштейн окончил реальное училище и поступил в петроградский Институт гражданских инженеров.
После Октябрьской революции Эйзенштейн обеднел и оказался отрезан от родного города, богатых родителей и родственников. В Институте гражданских инженеров организовали штаб милиции, куда записался и Эйзенштейн. Весной 1918 года он был призван на военную службу и зачислен в школу прапорщиков инженерных войск. После расформирования школы прапорщиков Эйзенштейн 18 марта 1918 года вступает в Красную армию. Почти два года разъезжал с агитационным эшелоном, в это время он вёл подробнейшие дневники, где описывал свои путешествия, размышления об искусстве и театре в частности. Вместе с тем он работал художником-декоратором в театральных коллективах Красной армии. После войны он хотел стать переводчиком с японского.
В 1920 году Эйзенштейн устроился на работу в качестве художника-декоратора в труппу Первого рабочего театра Пролеткульта. Тогда, как и многие, он стал сторонником идей разрушения старого искусства. В частности он старался «революционизировать» театр.
В 1921–1922 годах обучался в Государственных высших режиссёрских мастерских (ГВЫРМ) под руководством Всеволода Мейерхольда.
Эйзенштейн увлекся кино, он размышлял над путями его развития, задумывался над проблемой цвета в кино. Его фильмы и теоретические работы, прежде всего в области монтажа, утвердили новые формы кинематографической выразительности.
В 1924 году Эйзенштейн снял полнометражный фильм «Стачка», который получил в 1925 году на Международной выставке современных декоративных и промышленных искусств в Париже золотую медаль.
Комиссия Президиума ЦИК СССР поручает Эйзенштейну постановку эпопеи «1905 год». В связи со сжатыми сроками Эйзенштейн сокращает замысел до эпизода восстания моряков на броненосце «Князь Потёмкин Таврический». В 1952 году в списке десяти лучших фильмов всех времён и народов, составленном 58 кинорежиссёрами Европы и Америки по предложению Бельгийской Синематеки, «Броненосец «Потёмкин» занял первое место.
В 1927 году Эйзенштейн снял немой художественный фильм «Октябрь», полное художественных экспериментов произведение, в котором впервые в художественном кино показан образ Ленина в исполнении рабочего Никандрова. Это завершающая часть кинотрилогии («Стачка», «Броненосец «Потёмкин», «Октябрь»). Фильм демонстрировался в США под названием «Десять дней, которые потрясли мир». Из-за перемены политического климата в СССР на последних стадиях редактирования фильма режиссёр Эйзенштейн был вынужден вырезать кадры со многими деятелями революции. В 1933 году фильм был окончательно снят с экранов.
В октябре 1928 года Эйзенштейн вместе со своей съёмочной группой отправился в путешествие за рубеж с целью изучения западного опыта.
С помощью писателя Эптона Синклера Эйзенштейн приступил к съёмкам фильма «Да здравствует Мексика!». Однако после того как было отснято 75 тысяч метров, Сталин направил ему телеграмму с предложением вернуться в СССР.
После возвращения в 1932 году Эйзенштейн занялся научной и педагогической деятельностью, стал заведующим кафедрой режиссуры Государственного института кинематографии, в 1935 году получил звание заслуженного деятеля искусств РСФСР. Впоследствии его статьи и лекции этого периода стали основой двух книг – «Смысл фильма» (1942 год) и «Форма фильма» (1949 год), где разрабатываются принципы цвета, звука и монтажа в кино.
Весной 1935 года Эйзенштейн начал работать над сценарием «Бежин луг». Сюжетом фильма была коллективизация сельского хозяйства, сочетавшая радужные и трагические краски и опиравшаяся на историю Павлика Морозова. Единственный экземпляр фильма сгорел при бомбежке «Мосфильма» во время войны.