Сергей Владимирович Образцов родился 5 июля (22 июня по старому стилю) 1901 года в Москве.

Его отец – Владимир Николаевич Образцов – академик Академии наук СССР (1939), лауреат Государственных премий СССР (1942, 1943 годы), известный ученый, специалист по эксплуатации железнодорожного транспорта. Мать была педагогом, преподавателем русского языка.

После окончания реального училища Сергей Образцов поступил во ВХУТЕМАС (Высшие художественно-театральные мастерские) на живописный факультет. Был учеником у художников Абрама Архипова и Владимира Фаворского.

В 1922-1930 годах Образцов был артистом Музыкальной студии МХАТ (с 1926 года ‒ Музыкального театра имени Немировича-Данченко), в 1930-1936 годах работал в труппе МХАТа-2, исполняя острохарактерные роли.

Параллельно с учебой Образцов выступал в сборных концертах с кукольной самодеятельностью. Впервые с театральными куклами Образцов выступил в 1920 году, первыми его зрителями были Константин Станиславский, Владимир Немирович-Данченко, Всеволод Мейерхольд, Владимир Маяковский.

Выступая в пародийном жанре "романсы с куклами", к середине 1930-х годов стал популярным артистом эстрады. Объектом его пародий была пошлость, характерная для исполнения некоторых эстрадных актеров, и обывательское мещанство.

В 1931 году Сергей Образцов возглавил Государственный центральный театр кукол (ныне Государственный академический Центральный театр кукол имени С.В. Образцова). Он разработал теорию и методику театра, создал репертуар, воспитал творческие кадры актеров и режиссеров. Его постановки вошли в золотой фонд отечественного и мирового театрального искусства. Среди них: "По щучьему велению" (1936), "Кот в сапогах" (1937), "Волшебная лампа Аладдина" (1940), "Король-Олень" (1943), "Веселые медвежата" (1945), "Необыкновенный концерт" (1946), "Божественная комедия" (1961), "Дон Жуан" (1975) и другие. Снискавшие большую зрительскую популярность, они до сих пор идут на сцене театра.

Образцов вел также преподавательскую деятельность, был профессором Государственного института театрального искусства (ГИТИС).

С 1976 года он был президентом Международного союза кукольников – UNIMA.

Система режиссерской, актерской работы была изложена Образцовым в его книгах "Актер с куклой" (1938), "Моя профессия" (1950). Он также написал книги "Эстафета искусств", "По ступенькам памяти", "Моя кунсткамера", "О том, что я увидел, узнал и понял во время двух поездок в Лондон" (1956 год), "Театр китайского народа" и другие.

Сергей Образцов – создатель жанра документального киномонолога, автор фильмов "Кинокамера обвиняет", "Удивительное рядом", "Невероятная правда", "Кому он нужен, этот Васька".

8 мая 1992 года Сергей Образцов скончался в Москве. Похоронен на Новодевичьем кладбище.

Творчество режиссера было отмечено различными государственными наградами. Сергей Образцов – народный артист СССР (1954), лауреат Государственной премии СССР (1946), Герой Социалистического Труда (1971). Он был награжден тремя орденами Ленина, двумя орденами Трудового Красного Знамени, а также польским орденом Улыбки.

Имя Образцова присвоено Государственному академическому центральному театру кукол, которым он руководил. В 2001 году был открыт для посетителей Музей-квартира, где жил и работал Сергей Образцов. В 2006 году рядом со зданием кукольного театра в Москве был открыт памятник Образцову.

Именем Сергея Образцова назван двухпалубный теплоход-пансионат.

Образцов был дважды женат. В 1919 году он женился на учительнице детского дома Софье Смысловой. 28 декабря 1922 года у них родился сын Алексей, летом 1928 года – дочь Наталья. Вскоре после рождения дочери Софья скончалась. В 1931 году Образцов женился на артистке МХАТа-2 Ольге Шагановой. Сын Образцова Алексей стал архитектором. Дочь Наталья была артисткой Центрального театра кукол. Его внучка Екатерина – заслуженная артистка России, режиссер-постановщик Театра кукол имени С.В. Образцова.