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).