La 5 ani a plecat din orașul natal împreună cu familia, care și-a stabilit reședința la Timișoara, orașul în care marele regizor a copilărit. Din acei ani ai copilăriei i-au plăcut filmele și a visat să joace într-o zi în filme. A făcut ultimele patru clase de liceu în 2 ani, potrivit cinemagia.ro.

În 1948, la terminarea liceului, a intrat la trei facultăți: Belle Arte, Politehnică și Școala de Ofițeri de Marină. A absolvit Politehnica în 1952, devenind inginer, meserie pe care a practicat-o la Studioul ''Al. Sahia'' până în 1965, intrând astfel în lumea filmului.

Începuturile carierei sale regizorale sunt marcate de o serie de scurtmetraje — "Scoicile nu au vorbit niciodată", "Memoria trandafirului", o metaforă de 7 minute (1962), foarte curând ajungând să abordeze, ca profesionist, lungmetrajul.

Debutul în lungmetraj cu ''Dacii'' (în coproducție cu Franco-London-Film, 1966), în care este și interpret, se dovedește a fi un mare succes românesc, ajungând să fie difuzat și în străinătate.

În anii '70, demonstrează o reală voință de a-și însuși tehnici narative și de montaj preluate din cinematograful american comercial, pe care le aplică filmelor sale de acțiune și suspans.

Filmografia sa impresionantă cuprinde filme la care, în afară de regizor sau co-regizor, este în egală măsură actor sau scenarist cu certe calități. După numărul de filme realizate (peste 50 de lungmetraje), Sergiu Nicolaescu este, de departe, regizorul cel mai productiv din cinematografia autohtonă, situându-se în același timp la nivelul celor mai activi cineaști în plan internațional.

În timpul filmărilor la ''Mircea'', 1988.

De-a lungul carierei, a abordat o largă arie tematică și de gen (inclusiv filmul de actualitate, serialul de televiziune, comedia, drama psihologică, filmul biografic), însă certa sa vocație se dovedește a fi superproducția de inspirație istorică și filmul de acțiune.

Din 1990, a fost directorul Studioului de creație ''Star 22''.

Selectiv, din filmografia sa amintim: ''Dacii'' (1967), ''Mihai Viteazul'' (1970), ''Cu mâinile curate'' (1972), ''Chemarea aurului'' (1973), ''Nemuritorii'' (1974), ''Un comisar acuză'' (1974), ''Accident'' (1976), ''Osânda'' (1976), ''Pentru patrie'' (1978), ''Nea Mărin Miliardar'' (1979), ''Revanșa'' (1978), ''Ultima noapte de dragoste'' (1979), ''Capcana mercenarilor'' (1981), ''Wilhelm Cuceritorul'' (serial TV, 1981), ''Ringul'' (1983), ''Ciuleandra'' (1984), ''Noi, cei din linia întâi'' (1985), ''Francois Villon — poetul vagabond'' (1987), ''Mircea'' (1988), ''Coroana de foc'' (1990), ''Oglinda — Începutul adevărului'' (1993), ''Punctul zero'' (1995), ''Triunghiul morții'' (1999), ''Orient Expres'' (2004), ''15'' (2005), ''Supraviețuitorul'' (2008), ''Carol I'' (2009), ''Poker'' (2010, cea de-a doua comedie din cariera sa regizorală, după ''Nea Mărin Miliardar''), ''Ultimul corupt din România'' (2012).