Après des études à l'école supérieure de peinture, sculpture et architecture Stroganov à Moscou, il est embauché comme dessinateur par un studio d'animation cinématographique. Il se tourne rapidement vers le cinéma et commence à travailler dans des studios de production de Moscou.
Ses premiers films, tels que "La Jeune Gouvernante" (1925) et "Le Cuirassier blanc" (1926), sont marqués par un style expressionniste puissant, caractérisé par des cadrages violents et une montage dynamique.
En 1927, il réalise son premier grand film : "Le Cabaret des ombres", connu également sous le nom de "Battleship Potemkin". Le film est considéré comme un classique du cinéma mondial, et sa scène culminante, la descente aux esclaves à Odessa, est souvent citée comme l'un des moments les plus forts de l'histoire du 7e art.
En 1938, Eisenstein s'installe en Espagne pour travailler sur le film "La Grande Parade". Cependant, la guerre civile espagnole éclate et il est contraint de partir pour la France puis la Russie. Il ne peut pas terminer son film, qui reste inachevé à ce jour.
En 1938, Eisenstein réalise le documentaire "La Vie d'Alexandre Nevsky", commandé par Staline pour célébrer l'héroïsme de cette figure historique. Le film est un énorme succès et permet à Eisenstein d'obtenir un statut officiel de cinéaste de premier plan en Union soviétique.
En 1942, il réalise le film "Ivan le Terrible", qui raconte l'histoire du Tsar Ivan IV, dit l'horribile. Le film est également commandé par Staline et constitue une critique de la puissance autocratique. Bien que le film soit acclamé par les critiques et les spectateurs, il est cependant interdit par Staline en 1946 après avoir été projeté à Moscou. Le réalisateur ne peut achever son travail sur le film, qui reste inachevé à ce jour.
Enfin, Eisenstein meurt le 11 février 1948 à Moscou, peu après avoir annoncé qu'il travaillait sur un nouveau film intitulé "La Quatrième Partie de la Saga d'Alexandre Nevsky". Malgré sa mort prématurée et son inachevement de ses derniers films, il reste l'un des grands réalisateurs du cinéma soviétique et un pionnier de la montage cinématographique.