Родился 14 (27) сентября 1910 года в селе Нижнем Донецкой области на Украине.

Окончил горнопромышленное училище, работал шахтёром. Учился в студии при Харьковском театре имени Т.Г. Шевченко (1929-1931).
С 1929 года работал в театрах Донецка, Харькова, Архангельска, в 1942-1955 и в 1963-1965 годах — актёр театра имени Евг. Вахтангова, в 1955-1956 годах — артист театра имени Вл. Маяковского, в 1956-1963 годах — актёр МХАТ имени Горького.

Заслуженный артист РСФСР (1947).
Народный артист РСФСР (1952).

Был женат на актрисе Кларе Лучко.

Сергей Лукьянов скончался в Москве 1 марта 1965 года на 55-м году жизни от инфаркта во время выступления на собрании в Театре имени Вахтангова. Похоронен актёр на Новодевичем кладбище (участок № 5).

Жизни и творчеству актера посвящена глава 35 цикла "Чтобы помнили" Леонида Филатова.

Лауреат Сталинских премий:
1951 — за роль Гордея Ворона в фильме "Кубанские казаки";
1952 — за роль Егора Булычева в спектакле по пьесе Максима Горького «Егор Булычёв и другие» на сцене МХАТ.
Орден Трудового Красного Знамени (1950).