Сергей родился в эвакуации, в 1944 г. семья вернулась в Ленинград. После школы он недолгое время работал в типографии, а в 1959 г. поступил на отделение финского языка филологического факультета Ленинградского университета и учился там два с половиной года. В 1962 г. был отчислен за неуспеваемость и призван в армию, отслужил три года в охране лагерей ("исправительных колоний") в Республике Коми (посёлок Чиньяворык).

После армии Довлатов поступил на факультет журналистики ЛГУ, работал в студенческой многотиражке, писал рассказы. Работал литературным секретарём Веры Пановой, был близок к литературной группе "Горожане" (Марамзин, Ефимов, Вахтин и др.). В 1972-75 гг. Довлатов жил в Эстонии, где работал в газетах "Советская Эстония" и "Вечерний Таллин". Писал рецензии для журналов "Нева" и "Звезда". Набор его первой книги под общим названием "Городские рассказы" в издательстве "Ээсти Раамат" был уничтожен по указанию КГБ Эстонской ССР. Позже работал экскурсоводом в Пушкинском заповеднике под Псковом (село Михайловское).

По возвращении в Ленинград Довлатов работал в журнале "Костёр". Он неоднократно пытался напечатать свои рассказы, но журналы за редким исключением отказывались их принимать. Довлатов публиковался в самиздате, а также в эмигрантских журналах "Континент", "Время и мы". За публикации в западной прессе в 1976 году он был исключён из Союза журналистов СССР.

В 1978 г. из-за преследований, невозможности работать и отсутствия средств к существованию Довлатов эмигрировал из СССР вслед за своей женой и дочерью, поселился в Нью-Йорке. Он был одним из создателей и главным редактором русскоязычной газеты "Новый американец" (1980-83), много работал на радио "Свобода". Одна за другой выходили книги его прозы. К середине 1980-х Довлатов добился читательского успеха, переводы его рассказов печатались в престижных американских журналах "Партизан Ревью" и "Нью-Йоркер". За двенадцать лет эмиграции издал двенадцать книг в США и Европе. После распада СССР его произведения начали активно издаваться и на родине.

Сергей Довлатов умер от сердечной недостаточности, похоронен на еврейском кладбище "Маунт Хеброн". Ни одного своего текста, опубликованного в СССР до 1978 года, Довлатов перепечатывать не позволял. В 1995 г. в России была учреждена Литературная премия им. Сергея Довлатова, она присуждается за лучший рассказ года петербургского автора или напечатанный в Санкт-Петербурге.

Русское имя Сергей происходит от римского родового имени Сергиус - "почтенный". Донат - имя латинского происхождения, восходит к donatus - "подаренный", "отданный". Фамилия Довлатов образована от тюркского имени Давлат, которое означает "счастье".

Вне Нью-Йорка

- Дом-музей Довлатова в Пушкинских Горах (Псковская обл., Россия) открылся в 2011 г.
- Памятная доска на фасаде дома № 56 по ул. Гоголя в Уфе, где Довлатов родился и провел младенческие годы, установлена в 2011 г.
- Мемориальная доска в Санкт-Петербурге, на улице Рубинштейна, дом 23, открыта в 2007 г. Автор - Алексей Архипов. В 2016 г. во дворе этого дома открыли памятник Довлатову (скульптор Вячеслав Бухаев).
- Мемориальная доска в Таллине на стене дома № 41 по ул. Вабрику, где Довлатов проживал в 1972-75 годах, открыта в 2003 г. Выполнена по рисунку А. Флоренского эстонским скульптором Ириной Рятсепп.