Прадед по женской линии — Иван Дмитриевич Удальцов.
Родился 16 февраля 1977 года в Москве.
В 1998 году организовал и возглавил движение «Авангард красной молодёжи» (АКМ), являвшееся молодёжным крылом движения «Трудовая Россия» Виктора Анпилова. В 2002—2003 годах был членом ЦК и членом МГК партии «Коммунисты Трудовой России» Виктора Анпилова (партия имела официальную регистрацию с ноября 2002 по июль 2003 года).
В 1999 году окончил юридический факультет Московской государственной академии водного транспорта. Работает юристом в общественно-политической газете «Гласность».
В декабре 1999 года баллотировался в Госдуму РФ по списку избирательного блока «Сталинский блок — за СССР» (список не преодолел пятипроцентный барьер).
В начале 2004 года разошёлся во взглядах с Виктором Анпиловым. С 2004 по 2007 год АКМ считался молодёжным крылом КПСС Олега Шенина, а Удальцов в этот период был членом ЦК КПСС. На пленуме ЦК КПСС 1 октября 2005 выступил за организационное объединение АКМ и КПСС со сменой названия — переименованием КПСС в Единую коммунистическую партию, Всесоюзную коммунистическую партию или Большевистскую партию (ссылаясь на «невосприятие в молодёжной среде названия КПСС»). Предложение не было принято.
В сентябре 2005 года Удальцов поддержал идею создания Левого фронта (ЛФ), в процессе формирования которого в 2006—2008 гг. участвовал с перерывами. На всероссийской учредительной конференции движения «Левый фронт» 18 октября 2008 года был избран в Совет ЛФ и Исполком ЛФ (из 30 человек). Является координатором ЛФ по организационной работе.
В декабре 2005 года баллотировался в Московскую городскую думу (МГД) по списку КПРФ.
С осени 2006 года АКМ сотрудничал с оппозиционной коалицией «Другая Россия» (лидеры Гарри Каспаров, Эдуард Лимонов, на первом этапе деятельности также Михаил Касьянов, Владимир Рыжков, Виктор Анпилов), в частности, принимал участие в проводившихся «Другой Россией» Маршах несогласных, но не входил в неё. В сентябре 2007 года 8-й съезд АКМ принял решение о прекращении взаимодействия АКМ с «Другой Россией».
4 июля 2007 года Удальцов стал одним из учредителей Совета инициативных групп Москвы, который объединил представителей более 100 жилищных, градостроительных, экологических социальных движений, а также общественных и политических организаций Москвы. В июле 2009 года Совет инициативных групп был преобразован в движение Московский Совет (Моссовет), которое осуществляет защиту социальных прав москвичей, и ведёт кампанию за возвращение выборов руководителей регионов РФ, активно призывал к отставке бывшего мэра Москвы Ю. Лужкова. Моссовет входит в Союз координационных советов России (СКС). Удальцов является координатором Моссовета.
С мая 2008 года — депутат Национальной Ассамблеи Российской Федерации (от АКМ). На первом заседании Национальной Ассамблеи 17 мая 2008 избран в Совет Национальной Ассамблеи из 50 человек; возглавил Комитет по взаимодействию с группами социального протеста и вошел в состав Бюро Национальной ассамблеи Российской Федерации (президиум Совета из 9 человек плюс 12 председателей комитетов и комиссий).
С 18 ноября 2009 года — сопредседатель Оргкомитета политической партии «Российский Объединённый Трудовой Фронт (РОТ Фронт)». На Учредительном съезде партии РОТ Фронт, прошедшем в Москве 22 февраля 2010 года, избран в ЦК и Политсовет партии.
27 сентября 2010 года признан невиновным в организации несанкционированного митинга — «Дня гнева» мировым участком Тверского района.
17 января 2012 года несмотря на противоречия «Левого фронта» и КПРФ, от имени фронта поддержал кандидатуру на президентских выборах 2012 года — Геннадия Зюганова (лидера КПРФ). Также принял участие в съёмках предвыборного ролика. В феврале 2012 года газета «Московский комсомолец» сообщила, что Удальцов является возможным преемником Зюганова на посту генсека КПРФ. Политолог Глеб Павловский назвал Удальцова «очень мужественным человеком», но при этом «политическим дитём», не знающим, как управлять партией. 24 февраля во время дебатов с представителем М. Прохорова А. Любимовым Удальцов опроверг данную информацию.
По словам Сергея Удальцова, он более ста раз подвергался задержаниям на митингах и демонстрациях, а также административным арестам и провёл под арестом в общей сложности несколько месяцев.
Так, в день выборов в Государственную думу 4 декабря 2011 года задержан и приговорен к 5-суточному аресту. Объявил сухую голодовку и был госпитализирован. Уехав из больницы после выписки, был вновь задержан и приговорён судьёй Боровковой к 15-суточному, а по его окончании — 10-суточному сроку административного ареста. Во время процесса ему стало плохо, и он был доставлен в больницу прямо из зала суда.
10 марта 2012 года его задержали из-за того, что после окончания санкционированного с властями митинга «За честные выборы» он направился вместе с демонстрантами к Пушкинской площади через Арбатскую площадь, возле кинотеатра «Художественный» залез на телефонную будку и стал скандировать лозунги, что послужило основанием к аресту. 15 марта мировой судья Азарова приговорила его к 10 суткам ареста. Удальцов объявил о сухой голодовке. 16 марта федеральный судья Цывкина (Пресненский суд Москвы) отменила административный арест в десять суток, заменив его на штраф в одну тысячу рублей. Удальцов освобожден в зале суда. 17 марта Удальцов принял участие в акции оппозиции на Пушкинской площади.
18 марта Удальцов в числе других был задержан на акции у телецентра «Останкино». Было задержано более ста человек. Позже в тот же день Удальцова выпустили. Поводом для акции стал показ на телеканале НТВ фильма «Анатомия протеста» 15 марта. Фильм в частности рассказывает о подкупе некими лицами рядовых участников митингов и акций оппозиции.
10 апреля была проведена акция в поддержку голодающих в Астрахани у астраханского представительства в Москве. В голодовке участвуют Шеин и его сторонники. Удальцов встал в одиночный пикет у полицейского ограждения и был задержан.
11 апреля была проведена акция «Белая дума». Участники пошли от бокового фасада Госдумы со стороны улицы Большая Дмитровка к главному фасаду, возле станции метро «Театральная» сотрудники полиции Удальцова отделили от толпы, запихнули в поджидавший автозак и увезли. Были задержаны также: Леонид Развозжаев, Николай Николаев, Олег Мокряков и еще одинадцать человек. Мировой суд Тверского района Москвы назначил Удальцову наказание в виде штрафа в размере двух тысяч рублей.
Сын доктора исторических наук, профессора Станислава Васильевича Тютюкина. Племянник бывшего посла Российской Федерации в Латвии Александра Удальцова. Правнук ректора МГУ и первого директора МГИМО, члена партии большевиков с 1905 года Ивана Дмитриевича Удальцова, в честь которого названа улица в Москве.
Жена: Анастасия Удальцова, занимает должность руководителя пресс-службы АКМ с 2004 года, с 2007 года — также «Левого фронта».
Двое сыновей: Иван (2002 года рождения) и Олег (2005 года рождения).