Сергей Бондарчук родился в семье актрисы Ирины Скобцевой и режиссера Сергея Бондарчука, став вторым ребенком в семье. Большую часть времени его воспитанием занималась бабушка. Окончил художественную школу и среднюю школу № 31 с английским уклоном в Москве.
В 1985 году Бондарчук поступил во ВГИК на режиссерско-постановочный факультет. Занимался в мастерской режиссера и народного артиста Игоря Таланкина. После первого курса отправился служить в армию, затем вернулся обратно к учебе и окончил институт в 1991 году.
Актерскую карьеру начал в 1986 году будучи еще студентом, снявшись в отцовском фильме «Борис Годунов» в роли царевича Федора. Год спустя Бондарчук принял участие в съемках «Сталинграда», вышедшего на экраны в 1990 году.
В дальнейшем Сергей Бондарчук снялся в десятках кинолент, наиболее известные из которых «Бесы», «Кризис среднего возраста», «Даун Хаус», «В движении», «9 рота», «Статский советник», «Адмиралъ» и «Обитаемый остров».
В 2005 году состоялся режиссерский дебют Сергея Бондарчука – в прокат вышел фильм «9 рота». Позже он его режиссерская фильмография пополнилась картинами «Тихий Дон» (телевизионная версия), «Обитаемый остров» и «Обитаемый остров: Схватка», «Сталинград» и «Притяжение».
Первой женой режиссера стала Светлана Рудская - пара познакомилась еще в 1986 году. В браке у супругов родились дети Сергей и Варвара, но в 2016 году звезды развелись.
В 2015 году Бондарчук стал встречаться с молодой актрисой Паулиной Андреевой, а через четыре года они поженились.