Сергей Юткевич родился в Санкт-Петербурге в семье инженера-технолога караимского происхождения Иосифа Ивановича Юткевича (1877—1972) и Наталии Михайловны Юткевич (в девичестве Лавровой; 1880—1953), дворянки, выпускницы историко-филологического отделения Высших бестужевских курсов. Семья переехала в столицу из Вильны, где отец работал инженером в Товариществе Балтийских судостроительных и механических заводов, а с 1903 года — на Петербургской казённой пробочной фабрике. Жили они на 4-й Рождественской улице, дом № 43.
Октябрьская революция застала семью на отдыхе в Славянске, откуда они переехали в Харьков и позже — в Киев. В Харькове Юткевич учился живописи у Эдуарда Штейнберга, а в Киеве подружился с Григорием Козинцевым и Алексеем Каплером.
Творческая жизнь Сергея Юткевича началась в 1917 году. В годы Гражданской войны он работал актёром, художником, ассистентом режиссёра в театрах Киева и Севастополя. В 1921—1923 годах он учился в Государственных высших режиссёрских мастерских и ВХУТЕМАСе.
В 1928 году Юткевич возглавил Первую киномастерскую на «Ленфильме» и руководил ею в течение десяти лет. Он обратился к теме «ленинианы», сняв картину «Человек с ружьём» в 1938 году, а в последующие годы создал такие фильмы, как «Рассказы о Ленине» (1958), «Ленин в Польше» (1966) и «Ленин в Париже» (1981).
В годы Великой Отечественной войны Юткевич снял фильмы «Швейк готовится к бою» и «Новые похождения Швейка».
Одним из значительных событий в его карьере стала экранизация трагедии Шекспира «Отелло» (1955), где главную роль исполнил Сергей Бондарчук.
Сергей Юткевич скончался 23 апреля 1985 года в Москве и был похоронен на Новодевичьем кладбище (участок № 4).
