В 1980 году он окончил Государственный институт театрального искусства имени А.Луначарского (ГИТИС), где занимался на курсе В.Андреева.
После службы в армии, в 1982 году Сергей Баталов стал актером Московского театра на Малой Бронной. После ухода из этого театра режиссера Сергея Женовача Баталов вместе с группой актеров тоже ушел.
В 1990-1992 годах он работал в Театре-студии "Человек", под руководством режиссера Сергея Женовача. Одно время Сергей Баталов пытался работать во МХАТе, но понял, что театр возможен для него только в единой команде, как это было с Женовачом и его актерами.
В кино Сергей Баталов дебютировал в 1983 году, в фильме "Нежданно-негаданно". Первоначально Баталов снимался лишь в эпизодических ролях. Первая главная роль - в телевизионной мелодраме "Далеко-далече" (1990). Известность ему принесли ведущие роли в картинах Николая Досталя "Облако-рай" (1990) и "Мелкий бес" (1995).
На Кинофестивале молодых актеров в Женеве-91 жюри присудило специальный приз актерскому составу картины "Облако-рай": Андрей Жигалов, Сергей Баталов, Ирина Розанова, Алла Клюка, Владимир Толоконников. Затем были яркие запоминающиеся работы в музыкальной комедии "Пленники удачи" (1993); комедии "Ширли-мырли" (1995); эксцентрической комедии "Полицейские и воры" (1997) и других.
Его работа в фильме "Под полярной звездой" на кинофестивале "Созвездие-2001" была отмечена призом за лучшую мужскую роль.
В 2005 году Николай Досталь снял продолжение, ставшей культовой, картины "Облако-рай" - "Коля - перекати поле". За роль в этом фильме Сергей Баталов получил премию "Ника".
Сергей Баталов - популярный и востребованный киноактер. Он активно снимается в сериалах - "Короли российского сыска", "Досье детектива Дубровского", "Граница. Таежный роман", "Марш Турецкого", "Закон", "Баязет".
Жена Зоя – реквизитор Театра на Таганке, их дочь Катерина получила высшее финансово-экономическое образование, работает в банковском секторе.