Сергей Владимирович Лукьянов родился 27 сентября 1910 года в селе Нижнем Донецкой области.

После школы поступил в горнорудное училище, а по его окончании работал на шахте. Параллельно с работой стал заниматься в самодеятельном театральном кружке, где впервые раскрыл свой актерский талант. В 1929 году после одного из спектаклей Лукьянову предложили попробовать себя на сцене Донбасского театра. Проявив себя и там, он был направлен на учебу в студию при Харьковском театре имени Шевченко. По окончании обучения актер работал в театрах Донецка, Харькова, Архангельска. Затем его пригласили в Москву — в Театр имени Евгения Вахтангова, в котором он прослужил в 1942-1955 годах, а позднее и в 1963-1965.
Одной из его лучших ролей в театре был Егор Булычев в спектакле по пьесе Максима Горького «Егор Булычёв и другие». За эту работу Лукьянов был награжден в 1952 году Сталинской премией второй степени. Кроме того, выступал на сцене МАДТ имени В.В. Маяковского (1955—1956).
Среди театральных работ актера также следует выделить: Августин (Флоридор) — «Мадемуазель Нитуш» (1944); Инсаров Дмитрий Никанорович — «Накануне» (1948); Парабухин Тихон — «Первые радости» (1950); Прокоп — «Приезжайте в Звонковое» А. Корнейчука; Кондрат — «Макар Дубрава» А. Корнейчука; Макс Вента — «Заговор обреченных» Н. Вирты; Робби — «Миссурийский вальс» Н. Погодина; Кудряш — «Гроза» А. Островского; Лопахин — «Вишневый сад» А. Чехова (на сцене МХАТа).
В кино дебютировал в 1944 году — снялся в роли следователя Ларцева в короткометражном фильме «Поединок». Картина была весьма успешной в прокате (ее просмотрели свыше 18 миллионов зрителей).
Широкая зрительская любовь пришла к актеру после выхода на экраны мелодраматической комедии Ивана Пырьева «Кубанские казаки», в которой он сыграл одну из главных ролей — председателя колхоза Гордея Ворона. В 1951 году за эту работу ему была присуждена Сталинская премия второй степени.