Родился 19 апреля 1957 года в Свердловской области. В середине 70-х годов переехал в Москву, где поступил в один из лучших российских театральных ВУЗов – Государственный институт театрального искусства. В 1980 году с успехом окончил актёрское отделение, где обучался на курсе Владимира Андреева.

С 1982 года начал работать в труппе театра на Малой Бронной. На этой сцене Сергей Баталов выступал до 1998 года, а затем окончательно перешёл в Театр-студию «Человек», где был задействован в постановках с 1990 года.

Сергей Баталов дебютировал в кино в 1983-ем в картине малоизвестного режиссёра Геннадия Мелконяна «Нежданно-негаданно». В том же году актёр появился в фильме «Рябиновые ночи». Вплоть до 1990 года играл только второстепенные и эпизодические роли; среди работ этого периода можно выделить такие ленты, как «Арифметика любви» и «Следствие ведут знатоки. Без ножа и кастета».

В 1990-ом получил первую главную роль в телевизионной мелодраме «Далеко-далече». В 1991 году на экраны вышла ещё одна мелодраматическая картина, в которой Сергей Баталов сыграл одну из ведущих ролей, – «Облако-рай». За работу в данной ленте Сергей с группой других актёров получил специальный приз на кинофестивале «Женева-91». В этом же году Баталов появился в фильме «Циники».

В середине 90-х годов актёр стал по-настоящему популярным. К этому периоду принадлежат его работы в таких картинах, как «Пленники удачи», «Ширли-Мырли» Владимира Меньшова, «Полицейские и воры» Николая Досталя. В 1997 году Сергей Баталов снялся в эксцентрической комедии «Хочу в тюрьму», а через 3 года – в фильме «Шуб-баба Люба!».

С начала двухтысячных актёр много играл в телевизионных сериалах, среди которых – «Граница. Таёжный роман», «В круге первом», «Братья Карамазовы». Кроме того, Сергей Баталов продолжил работать на съёмках полнометражных фильмов. Основные работы последнего времени – это картины «Без вины виноватые», «Завещание Ленина», «Коля-перекати поле» и другие.