Сергей Астахов родился в селе Красный Лиман Воронежской области, в семье военных. Отец служил в войсках специального назначения и был прикомандирован к секретной части, обслуживающей ракетные комплексы с ядерными боеголовками, а мать трудилась на армейском продуктовом складе.
В детстве из-за специфики работы родителей Сергей часто переезжал. В итоге будущий актер успел пожить на Новой Земле, в Прибалтике, на Сахалине, в порту Ванино Хабаровского края, где юноша окончил среднюю школу.
Учиться он не любил и не отличался хорошим поведением, зато с удовольствием принимал участие в художественной самодеятельности. Он играл на гитаре в школьном ансамбле, организовывал праздничные мероприятия, отстаивал честь школы на спортивных соревнованиях.
Получив аттестат, не сразу выбрал дело, которому хотел бы посвятить жизнь, поэтому отправился служить. Три месяца он пробыл в танковой дивизии под Нижним Новгородом, ездил на учения, жил в палатках в полевых условиях, а после попробовал устроиться в штаб писарем. Однако в итоге оказался в военном оркестре, где не хватало тарелочника. По выходным коллектив выступал в на танцах и праздничных мероприятиях, а в будни — на похоронах.
После демобилизации он вернулся в Воронежскую область и стал думать, чем займется дальше. Сначала окончил курсы радиомехаников, а после поступил на авиационный факультет Воронежского политехнического института. Однако с этой профессией у Сергея не ладилось: юноше с большим трудом давались точные науки, поэтому через год он решил выбрать что-то попроще. Перебрав много вариантов, остановился на театральном вузе. Ему казалось, что для поступления в него не требуется особых навыков. В итоге он понравился комиссии и смог стать студентом актерского факультета Воронежского института искусств.
По окончании он сразу начал играть в серьезных постановках, поэтому, чтобы на афише выглядеть солиднее, поменял свою фамилию Козлов на девичью фамилию матери и стал Астаховым.
После ему удалось засветиться и в кино. И одной из самых значимых для него работ стал сериал «Гаишники», где он исполнил роль Сергея Лаврова. Кстати, несмотря на славу главного гаишника страны, актер часто нарушал правила дорожного движения. Кроме того, его даже лишали водительского удостоверения из-за езды в нетрезвом виде.
В 2000 году ему довелось поработать с известным британским режиссером Декланом Доннелланом. Он задумал поставить в России спектакль «Борис Годунов». В постановке были задействованы ведущие театральные артисты столицы, в том числе и Астахов. Два года артист гастролировал по миру, набираясь опыта и зарабатывая себе репутацию. А когда контракт закончился, решил попробовать свои силы в кино.