Родился в семье рижского гражданского инженера и архитектора, действительного статского советника Михаила Осиповича Эйзенштейна и Юлии Ивановны (урожденной Конецкой). Он был единственным сыном.
В 1912 году родители развелись официально, и по решению суда мальчик остался с отцом.
В 1915 году Сергей окончил Рижское реальное училище, затем три года учился в Петроградском институте гражданских инженеров. Не закончив учебы, он добровольцем ушел в Красную Армию, был техником-строителем на Западном фронте, художником при политуправлении, участвовал в самодеятельности как художник, актер и режиссер.