Сергей родился 28 мая 1969 года в деревне Красный Лиман Воронежской области. Отец и мать будущего актера — Виконт Михайлович Козлов и Зинаида Ивановна Астахова, военнослужащие. Вскоре после рождения сына семья переехала на Сахалин, куда перевели служить его отца.
Детство и юность будущего актера прошли в военном гарнизоне. После окончания радиошколы Сергей поступил в Политехнический институт на авиационный факультет, который бросил через год и ушел служить в армию. Прослужив в танковой роте три месяца, он перевелся в военный духовой оркестр, прослужив в нем до демобилизации.
В 1989 году по возвращении из армии Сергей поступил на театральный факультет Воронежского института искусств. В начале 1990-х годов будущий актер женился на третьекурснице Натальей Комардиной, с которой познакомился на неформальной церемонии посвящения в студенты. Их брак был ранним и продлился всего несколько месяцев. Официально они развелись через несколько лет.
Сергей Астахов: «Правда, сначала я женился на другой девушке. Тоже в моем институте училась, из другого города приехала. Вику я сразу заметил, запомнил, а женился почему-то на другой — прямо на первом курсе. <...> Разлюбили друг друга, характерами не сошлись, много причин и все, наверное, такие же глупые, как и те, которые нас в загс толкнули. Словом, ошибка молодости».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 09 (23.02.2006)
На вступительных экзаменах Сергей познакомился с однокурсницей Викторией Адельфиной, которая впоследствии стала его второй женой. В 1994 году они сыграли свадьбу, а 28 июня 1998 года у супругов родилась дочь Маша. После окончания института он был принят на службу сначала в Воронежский Академический театр драмы, а затем в Воронежский Камерный театр.
В 1999 году в возрасте 30 лет актер переехал в Москву. После почти двухлетних поисков Сергея приняли на службу в театр «Et Cetera». В это время он сменил фамилию Козлов на фамилию Астахов.
Сергей Астахов: «А третья причина заключалась в том, что 30 лет мне исполнилось, а это значило: или сейчас, или никогда! В результате в один прекрасный день я себе сказал: «Все, завтра встану и уеду».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 09 (23.02.2006)
В 2001 году Астахов получил театральную премию «Чайка» в номинации «Роковой мужчина». После этого актер оставил работу в театре, так как начал успешную карьеру в кино.
В этом же году состоялся успешный дебют в фильме «С днем рождения, Лола!». После этого его пригласили в целый ряд сериальных проектов: «Ледниковый период» (2002), «Адвокат» (2003), «Другая жизнь» (2003), «Гибель империи» (2005), «Есенин» (2005) и другие.
Известность пришла к Сергею после сериалов «Хиромант» (2005) и «Черная богиня» (2005). С середины 2000-х годов Астахов — один из самых востребованных сериальных артистов российского кино.
Сергей Астахов: «Очень мало, к сожалению, ролей настоящих очаровательных негодяев. Как правило, это или плосковатые типы, или немножечко неврастеничные. Вот, кстати, в сериале «Хиромант» у меня была более-менее интересная роль. Если бы сценарий получше прописали, вообще здорово все получилось бы».
Цитата взята из журнала «7 Дней», № 09 (23.02.2006)
В 2005 году Сергей попробовал себя в качестве сценариста, написав в сотрудничестве с Дмитрием Котовым сценарий к фильму Егора Кончаловского «Побег».
В 2006 году Астахов участвовал в проектах Первого канала «Большие гонки» и «Две звезды» (в паре с Надеждой Бабкиной).
Наибольшую популярность Астахову принесла роль академика Сергея Павловича Королева в сериале режиссера Юрия Кары «Королев» (2007). Критики обругали Сергея, назвав его исключительно «сериальным актером». За роль легенды отечественного ракетостроения он получил от Президента РФ почетную грамоту «За вклад в патриотическое воспитание молодежи», а также приз зрительских симпатий на фестивале «Созвездие».
В 2008 году актер стал победителем шоу «Телезiрка» на канале «Украина».
В 2009 году Сергей снова возвращается в театр: играет в антрепризных спектаклях, а также участвует в нескольких постановках Драматического театра имени Станиславского.
В этом же году Астахов принял участие в проекте телеканала «Россия» «Танцы со звездами» (в паре со Светланой Богдановой), а в 2010 году — в украинском проекте «Зiрка+Зiрка» (аналог российской программы «Две звезды»).
Сергей Астахов сыграл более 80 ролей в фильмах и сериалах, самые известные среди которых: «Острог. Дело Федора Сеченова» (2006), «Петя Великолепный» (2006), «Гаишники» (2007–2010), «Счастливый билет» (2012), «Вероника. Беглянка» (2013) и многие другие.
Между тем, в октябре 2011 года в СМИ появились слухи о разводе Сергея Астахова со второй женой. Однако официального подтверждения слухов так и не произошло.
В 2013 году начались съемки сразу нескольких картин с участием Сергея Астахова: «Здрасьте, я ваш папа», «Тайны института благородных девиц», «Там где есть счастье для меня» и «Убийство на 100 миллионов».
Летом 2015 года Сергей Астахов приступил ко съемкам в блокбастере «Максимальный удар», в котором также сыграют Том Арнольд, Эрик Робертс, Бай Лин и Дэнни Трехо. Ради роли министра иностранных дел России, который произносит фразы только на английском языке, артист сразу же приступил к изучению произношения слов.
Сергей Астахов: «Английского я не знал в принципе. Поэтому решил посвятить несколько часов просмотру фильмов на английском, произнося вслух то, что слышал».
Цитата взята с сайта «7days.ru»
▪ Театральная премии «Чайка» в номинации «Роковой мужчина» за роль в спектакле «Геда Габлер» театра «Сатирикон» (2001)
▪ Приз зрительских симпатий XV Международного фестиваля актеров кино «Созвездие» за роль Сергея Павловича Королева в биографическом фильме «Королев» (2007)
Первая супруга — Наталья Комардина, актриса (брак в начале 1990-х)
Вторая супруга — Виктория Адельфина, актриса (поженились в 1994 году, по данным некоторых источников развелись в 2011 г.)
Дочь — Мария Астахова (28.06.1998)
Елена Корикова (2011—2013)