Родился 13 марта (27 февраля по старому стилю) 1913 года в Москве. Его отец, Владимир Александрович Михалков, был одним из основоположников советского промышленного птицеводства.

Школьные годы Михалков провел в Пятигорске. В 1930 году он окончил среднюю школу, но еще за два года до этого, в 1928 году в журнале "На подъеме" (Ростов-на-Дону) было опубликовано его первое стихотворение "Дорога". В том же году Михалков был зачислен в авторский актив Терской ассоциации пролетарских писателей (ТАПП), после чего его стихи часто печатались на страницах пятигорской газеты "Терек".

В 1930 году Михалков переехал в Москву, где в течение трех лет работал чернорабочим на Москворецкой ткацко-отделочной фабрике. В тот же период принимал участие в геологоразведочной экспедиции в Восточном Казахстане и на Волге. Уже тогда стихи Михалкова публиковались в столичной печати, передавались по радио.

С 1933 года Михалков, который принадлежал к объединению молодых писателей при журнале "Огонек", стал зарабатывать писательским трудом, его произведения публиковали также "Прожектор", "Известия", "Комсомольская правда", "Вечерняя Москва".

В 1935-1937 годах Михалков обучался в Литературном институте имени Горького. В тот период были опубликованы ставшие широко известными детские стихотворения "Три гражданина", "Веселый турист", "Упрямый Фома", "Мы с приятелем", "Дядя Степа", "А что у вас?", "Про мимозу", а в 1936 году Михалковым была издана первая книга стихов. В те же годы Михалков выступил как драматург и баснописец (идею обратиться к этому жанру ему подал Алексей Толстой), басню Михалкова "Лиса и бобер" опубликовала газета "Правда". В 1939 году он получил свою первую государственную награду – орден Ленина.

В 1939 году Михалков был призван в армию и в качестве военного корреспондента участвовал в событиях на Западной Украине и в Финляндии. В 1941-1945 годах Михалков находился в рядах Красной армии, работал в армейской печати (побывал почти на всех фронтах), однако писал и произведения для детей (стихи "Быль для детей", "Пионерская посылка", "Карта", "Мать" и другие). Знаменитая эпитафия Неизвестному солдату, выложенная на гранитной плите Вечного огня у Кремлевской стены: "Имя твое неизвестно, подвиг твой бессмертен", - также принадлежит Михалкову.

В 1944 году, после того, как правительство приняло решение вместо Интернационала создать новый Государственный гимн СССР, Михалков и его соавтор Г. Эль-Регистан (Габриэль Аркадьевич Уреклян) стали авторами его текста. По одним данным, первая редакция создавалась непосредственно под руководством Иосифа Сталина, однако по другим сведениям, Михалков принялся сочинять гимн в новогоднюю ночь 1944 года, услышав по радио объявление о всенародном конкурсе текстов.

По словам самого Михалкова, авторы гимна, когда решили писать его текст, "сначала посмотрели в словаре, что такое гимн", определили размер по аналогии с гимном партии большевиков, через два дня отправили готовый текст в Москву, и именно на нем остановил свой выбор Сталин. Гимн исполнялся на музыку Александра Александрова.

После Великой Отечественной войны Михалков продолжил литературную деятельность - написал пьесы для детских театров: "Особое задание" (1945), "Красный галстук" (1946), "Я хочу домой" (1949), "Сомбреро" (1957) и ряд других, а в 1962 году выступил автором идеи, организатором и главным редактором сатирического киножурнала "Фитиль".

Михалков известен также как автор сценариев к таким известным картинам как "Большое космическое путешествие" (в соавторстве с Валентином Селивановым, по пьесе Михалкова "Первая тройка, или Год 2001", 1974), "Три плюс два" (снят пo пьece Mиxaлкoвa "Дикapи", 1962) и "Новые похождения Кота в Сапогах" (1958).

В 1977 году, когда было принято решение изъять из текста гимна имя Сталина, Михалков стал автором второй редакции гимна СССР. В 2000 году "Ведомости" сообщили, что после того, как президент Владимир Путин одобрил решение депутатов вернуть гимну России мелодию Александрова вместо "Патриотической песни" Михаила Глинки, новый вариант текста государственного гимна, написанный Михалковым, имел наибольшие шансы стать основным.

Сын поэта кинорежиссер Никита Михалков рассказал, что идея еще раз написать слова на музыку Александрова принадлежала не его отцу: "Думаю, что его просили. Но кто конкретно, я не знаю".

Действительно, несколько недель спустя рабочая группа по рассмотрению нового гимна рекомендовала президенту утвердить слова Михалкова на музыку Александрова. Однако, по данным "Ведомостей", текст был подвергнут существенной правке (по официальной версии, этим занимался сам автор, однако в самой рабочей группе не смогли с уверенностью это подтвердить).

Сообщалось, что Михалков занимается не только профессиональной деятельностью, но и ведет активную общественную работу. На протяжении двадцати лет он возглавлял Союз писателей РСФСР, был депутатом Верховных Советов РСФСР и СССР, членом коллегии союзного Министерства культуры, руководил целой чередой комиссий и ассоциаций, впоследствии был избран председателем Совета старейшин Международного сообщества писательских союзов. В 2005 году писатель занял пост председателя исполкома Международного сообщества писательских союзов.

Михалков - академик педагогических наук, заслуженный деятель искусств РСФСР. Писатель был удостоен множества правительственных, литературных, общественных и международных премий, в том числе получил четыре ордена Ленина и дважды стал лауреатом Сталинской премии. За большие заслуги в развитии литературы Михалкову было присвоено звание Героя Социалистического Труда. В 1993 году Михалков был награжден орденом Преподобного Сергия Радонежского II степени, а в 2003 году из рук президента Путина писатель получил орден "За заслуги перед Отечеством" II степени.

13 марта 2008 года, в день 95-летия писателя президент России Путин подписал указ о награждении Михалкова орденом Святого апостола Андрея Первозванного "за выдающийся вклад в развитие отечественной литературы, многолетнюю творческую и общественную деятельность".

Михалков женат вторым браком. Его супруга - Субботина Юлия Валерьевна - по образованию физик-энергетик. Сыновья Михалкова от первого брака с писательницей Натальей Кончаловской - известные кинорежиссеры Андрей Кончаловский (Андрон Михалков-Кончаловский) и Никита Михалков.

Сергей Михалков скончался 27 августа 2009 года в Москве.