Сергей Юткевич родился 28 декабря 1904 года в Санкт-Петербурге.

Творческая жизнь Сергея Юткевича началась в 1917 году.

С 1921 по 1922-й год он учился в Высших художественно-технических мастерских (ВХУТЕМАС), а именно – в Строгановском училище на театрально-художественном факультете в классе Александры Экстер. В это же время С. И. Юткевич работал художником в московской театральной мастерской «Мастфор» на Арбате, которую основал барон Николай Форрегер. Там он познакомился с будущим сокурсником и коллегой Сергеем Эйзенштейном, вместе с которым в годы учебы подрабатывал актером, а также - подсобными работами у художников-постановщиков, оформлявших спектакли.

В 1922 году вместе с Григорием Козинцевым, Леонидом Траубергом и Георгием Крыжицким выпустил манифест «Эксцентризм», ставший теоретической платформой для Фабрики эксцентрического актёра.

В 1928 году С. И. Юткевич возглавил Первую киномастерскую на «Ленфильме» и руководил ею в течение десяти лет. В ранних режиссёрских работах Сергея Иосифовича («Кружева»; «Черный парус», «Златые горы») выполнение социального заказа ещё сочетается с экспериментами в области жанра, стиля и формы, а также с поисками нового кинематографического языка. Но уже в «Златых горах» и в полной мере в фильме «Встречный» (постановка совместно с и Ф.М. Эрмлером) режиссер жертвует выразительной формой в угоду идеологическому содержанию.

В 1934 году С. И. Юткевич пробует свои силы в документальном кинематографе: в ленте «Анкара — сердце Турции» он пытается организовать документальный материал своеобразным сюжетом. Но к концу 1930-х годов с экспериментами было покончено. Сергей Иосифович, как один из видных советских режиссёров, обязан был создавать картины по вкусу главного заказчика — Сталина. И он делает такие фильмы — вплоть до короткометражной киноагитки «Как будет голосовать избиратель», посвященной выборам депутатов Верховного совета СССР. Киноленты этого периода: «Шахтёры», «Человек с ружьем», «Яков Свердлов» (Сталинская премия за 1941 год), характеризуют нивелирование художественного уровня и отказ от какого-либо авторского начала. В фильме «Человек с ружьем» С. И. Юткевич впервые обратился к ленинской теме, которая стала сквозной в его творчестве. В этом фильме далеко неординарные роли сыграли Максим Штраух (Ленин) и Борис Тенин (солдат Иван Шадрин).

В 1938 — 1944 годах — художественный руководитель студии «Союздетфильм», но помимо административной и режиссёрской деятельности занимался преподаванием, научно-искусствоведческой работой, подчас существуя в нескольких ипостасях. К примеру, в 1939 — 1946 годах он, помимо многого прочего, занимал должность главного режиссера ансамбля песни и пляски НКВД. Преподавать С. И. Юткевич начал ещё в 1929 году, в 1939 году стал профессором; работал в Институте искусствознания, писал теоретические труды.

В годы Великой Отечественной войны режиссёр смог ненадолго вернуться к эксцентрике и сатире в «Боевом киносборнике номер семь» и фильме «Новые похождениях Швейка». С 1944 года С. И. Юткевич стал вести режиссёрскую мастерскую во ВГИКе. Тогда же он посетил Францию и снял документальный фильм «Освобождённая Франция».

В 1954 году он вернулся во ВГИК и преподавал там режиссёрское мастерство до конца 1960-х годов. С. И. Юткевич вновь приходит в театр, в эти и последующие годы он как художник и режиссёр поставил около тридцати спектаклей на московских и ленинградских сценах. Наиболее заметные театральные работы: «Баня» (совместно с Н.В. Петровым и В.Н. Плучеком), «Клоп» (совместно с Плучеком), «Карьера Артуро Уи» (совместно с М.А. Захаровым). В 1960 — 1965 годах он был главным режиссёром Студенческого театра МГУ.

В большинстве своих последующих фильмов: в «лениниане» («Рассказы о Ленине»; «Ленин в Польше», Государственная премия, 1967 год, «Ленин в Париже», Государственная премия, 1983 год) или поисковых, анимационно-игровых фильмах по мотивам Маяковского («Баня», «Маяковский смеется») С. И. Юткевич пытался решить почти неразрешимую задачу: сохраняя верность идеологической догме, за счет формальных новаций сделать последнюю более «человечной» и исторически-аргументированной. Исключением стала лирическая драма о жизни и любви А. П. Чехова («Сюжет для небольшого рассказа»), поставленная совместно с французскими кинематографистами.

Написал ряд монографий на материале советского и зарубежного киноискусства («Контрапункт режиссера»; «Шекспир в кино»; «Модели политического кино»).

В 1982 году на МКФ в Венеции, ему была присуждена премия «Золотой Лев» за вклад в мировое киноискусство.

Умер С. И. Юткевич в Москве 23 апреля 1985 года. Его прах покоится на Новодевичьем кладбище в Москве.