Eisenstein is gebore as die seun van middelklasouers in Riga in die Russiese Keiserryk (nou in Letland). Sy ouers het toe hy jonk was dikwels getrek, nes Eisenstein deur sy hele volwasse lewe sou doen. Sy pa, Michail Osipowitsj Eisenstein, was van Duitse, Joodse en Sweedse afkoms en sy ma, Joelia Iwanowna Konetskaja, het afgestam van ’n Russiese Ortodokse gesin. Sy pa was ’n argitek.
Eisenstein het argitektuur en ingenieurswese studeer aan die Petrogradse Instituut vir Siviele Ingenieurswese. Hy het egter by die weermag aangesluit en in die rewolusie geveg. In 1918 het hy by die Rooi Leër aangesluit, terwyl sy pa hom aan die kant van die monargiste geskaar het. Nadat die Wit Leër verslaan is, is sy pa Duitsland toe en Sergei na Petrograd, Wologda en Daugavpils. Hy het in dié tyd Japannees geleer en is bekend gestel aan kaboeki-teater Dit het hom later na Japan gelok.
In die herfs van 1928, terwyl October steeds in baie dele van die Sowjetunie gekritiseer is, het Eisenstein na Europa gereis saam met Grigori Aleksandrof en Edoeard Tisse. Die amptelike doel van die toer was dat hulle meer moes leer oor klankrolprente en hulself aan die kapitalistiese Weste bekend stel. Vir Eisenstein was dit egter ’n kans om kulture en wêrelddele te sien buite die Sowjetunie. Hy het twee jaar lank in Berlyn, Zürich, Londen en Parys getoer en klas gegee.
Eisenstein sou daarna as ’n mislukking na Moskou terugkeer. Die Sowjet-rolprentwese het in sy afwesigheid klankrolprente sonder hom aangepak en sy prente, tegnieke en teorieë is al hoe meer aangeval. Charlie Chaplin het egter intussen met hom bevriend geraak en het gereël dat Eisenstein na Mexiko reis om ’n rolprent te regisseer van die vervaardiger Upton Sinclair.
Ná ’n ruk in Mexiko het Josef Stalin ’n telegram gestuur waarin hy sy kommer uitspreek dat Eisenstein na die Weste oorgeloop het. Sinclair het die vervaardiging van die prent beëindig en drie kort rolprente is daarna deur iemand anders voltooi met die filmmateriaal wat Eisenstein gemaak het. Eisenstein het na Moskou teruggekeer.
Ná sy terugkeer was Eisenstein ongewild by ander Sowjet-rolprentmakers weens sy lang verblyf in die buiteland. Dit sou nooit heeltemal verander nie. Hy het daarna ’n lektorspos gekry by die rolprent-onderriginstansie GIK. In 1934 is hy met die rolprentvervaardiger en skrywer Wera Atasjewa getroud en hulle het getroud gebly tot met sy dood in 1948, hoewel daar spekulasie is oor sy seksualiteit.
Tydens die maak van laasgenoemde rolprent het Eisenstein ’n hartaanval gehad. Hy is kort daarna op 50 dood ná ’n tweede hartaanval. SErgei Eisenstein het sy laaste rusplek op die Moskouse Nowodewitsji-begraafplaas gevind.