Nasce da una famiglia ebrea di origine tedesca - il padre è architetto. Dopo aver intrapreso studi di ingegneria, ben presto si disinteressa alle scienze esatte e scopre il Rinascimento italiano e Leonardo da Vinci, si appassiona anche a Freud e all'arte drammatica giapponese. Alla vigilia della Rivoluzione si dedica a interessi maggiormente legati all'arte (lavora anche come caricaturista in un quotidiano), in particolare si avvicina al teatro fondando una compagnia dilettantesca che tiene spettacoli per le truppe al fronte. Dopo vari tentativi come disegnatore, inizia a lavorare nel 1920 come scenografo e regista del teatro Proletkult: dopo il servizio nell'Armata Rossa, ciò che più influenzò la sua carriera fu proprio il breve periodo di tempo che passò come allievo di Vsevolod Meyerhold. Il suo primo tentativo cinematografico è costituito dal breve cortometraggio Il diario di Glumov, proiettato come intervallo di uno spettacolo teatrale.
Nel 1924 ha la possibilità di dirigere un lungometraggio, Sciopero, che rivela chiaramente le sue esperienze teatrali, ma è comunque un film rivoluzionario in tutti i sensi perché, per la prima volta sullo schermo, la massa diviene davvero protagonista. La corazzata Potëmkin (1925), invece, fu concepito solo come episodio per uno spettacolo commemorativo dell'anniversario della rivoluzione del 1905, ma crebbe in proporzioni e divenne un lungometraggio con concetti totalmente nuovi, sia del dramma rivoluzionario che delle tecniche di regia. Questo film accrebbe rapidamente la fama internazionale del regista, anche se l'accettazione da parte del pubblico al quale era destinato non fu altrettanto rapida.
In seguito inizia la lavorazione di La linea generale - quando finalmente fu portata alla fine, il film venne intitolato Il vecchio e il nuovo-, presto interrotta poiché Ejzenstejn è chiamato a realizzare su ordinazione un film commemorativo per il decimo anniversario della Rivoluzione: Ottobre (1927) ricostruisce il periodo dal febbraio all'ottobre 1917 e, pur criticato in patria (la visione originale e anticonformista del regista urtarono ben presto la burocrazia comunista), accrebbe la sua reputazione all'estero, come si vide quando con Aleksandrov e il suo operatore Eduard Tissé, partì per un viaggio in Europa (in Germania, in Francia, in Svizzera) e in America, dove il gruppo aveva ricevuto l'incarico di realizzare un film per la Paramount. Negli Usa vennero scritte due sceneggiature, L'oro di Sutter e Una tragedia americana, ma i progetti fallirono entrambi, e così il trio partì per il Messico dove Ejzenstejn girò un film finanziato dallo scrittore da Upton Sinclair. La mancanza di fondi ed il sorgere di disaccordi con i collaboratori di Sinclair impedirono però al regista di completare Que viva México!, inducendolo nel 1931 a far ritorno a casa. Negli anni che gli rimasero, Ejzenstejn dedicò gran parte della sua energia creativa agli scritti e all'insegnamento. Iniziò anche due versioni di un film sulla collettivizzazione, che furono abbandonate in seguito a cambiamenti ufficiali sulla politica agricola. Fu solo nel 1938 che Ejzenstejn completò il suo primo film sonoro, Aleksandr Nevskij, con un brillante commento di Prokofiev. Quest'ultimo scrisse anche la partitura musicale per il monumentale Ivan il terribile (1943-1946), che fu fermato da una critica ostile al momento in cui solo due delle tre parti del film erano state realizzate. La seconda parte fu presentata nel 1958, dieci anni dopo la morte di Ejzenstejn avvenuta nel 1948. Il film doveva essere la prima parte di una trilogia dedicata al primo zar Ivan IV, unificatore delle terre russe, ma anche una riflessione sul potere. La seconda parte, quasi completamente girata, allora non passò al montaggio (uscirà postuma nel 1958 col titolo La congiura dei Boiardi). La terza parte, che doveva essere a colori, non è mai stata realizzata. Nel frattempo Ejzenstejn, sconfessato dal comitato centrale del Partito comunista che lo accusa di tradimento della verità storica, si piega a una terza ritrattazione, facendo pubblica ammenda e riconoscendo che i rimproveri che gli sono stati mossi corrispondono a verità.
Poco dopo, a Mosca, nel febbraio1948, a soli cinquant'anni, il regista morirà in seguito a una crisi cardiaca.