Родился 28 июня 1969 года в деревне Красный Леман (Воронежская область) в семье военнослужащего. Затем отца перевели служить на Сахалин, где и прошло детство Сергея. По настоянию родителей он окончил школу и поступил в политехнический институт на авиационный факультет. Проучившись год, Сергей понял, что эта профессия не для него. После армии, в 1989 году, Сергей поступил в Воронежское театральное училище. В 1995 году Сергей окончил театральное училище и устроился работать в Воронежский Академический театр драмы. На сцене этого театра он выступал пять лет. В 1999 году, когда Сергею уже исполнилось 30 лет, он решил изменить свою судьбу и отправился в Москву. В Москву Сергей приехал один. И первые полтора-два года зарабатывал тем, что возил актеров на их халтуры.
Как признается сам актер, в центральные театры он боялся ходить, считая, что там работают гиганты, до которых ему еще далеко. Случай подвернулся, когда он узнал, что Александру Калягину в его театр «Et Cetera» требуются актеры-мужчины. После просмотра Калягин вынес приговор: «У тебя говор. Иди, мы будем думать». Но через неделю Сергею позвонили и пригласили на роль в спектакле. Тогда он сменил свою неблагозвучную фамилию Козлов на Астахов – девичью фамилию своей матери.
2001 году Сергей Астахов покинул театр. Причиной тому стало кино, куда актера стали регулярно приглашать. Помимо актерской работы Сергей Астахов пробует себя и в качестве сценариста. Его первой работой был сценарий к фильму «Побег».