Сергей Лучишкин родился 12 июня (30 мая по старому стилю) 1902 года в Московской купеческой семье.
Сергей учился во 2-м Московском реальном училище (1913–1919), посещал вечерние курсы декламации и режиссуры (1917–1923, с 1919 – Государственный институт слова), который окончил с квалификацией режиссёра. Первоначальное художественное образование Сергей получил в частной студии В.Н. Мешкова (1914). Он учился в Государственных свободных художественных мастерских у Абрам Ефимовича Архипова, а затем (после преобразования в Высшие художественно-технические мастерские, Вхутемас) у Любови Сергеевны Поповой, Александры Александровны Экстер и Надежды Андреевны Удальцовой.
В 1920-е годы Сергей был активным деятелем авангардистского направления «Электроорганизм». В 1923–1929 годах он руководил студией «Проекционный театр». Удальцовой участвовал в постановках студии «Трагедия АОУ» (1923), «Заговор дураков» по пьесе А.Б. Мариенгофа (1924). Со второй половины 1920-х годов Лучишкин активно занимался художественным оформлением театральных постановок, в том числе и авангардных. С первой половины 1930-х годов он работал в реалистической и соцреалистической манере. Сергей был одним из инициаторов раскола ОСТ в 1931 году, он перешёл в более идеологически ангажированную «Изобригаду». В 1935 году Сергей работал художником фильма «Цирк». В 1938–1941 годах он был художником-оформителем на ВСХВ. Сергей Лучишкин был членом МОССХ (с 1932, член правления).
Во время Великой Отечественной войны Сергей Лучишкин был в эвакуации в Барнауле. В 1976 году Сергею Алексеевичу было присвоено звание Заслуженного художника РСФСР. Основная тема в его творчестве – портретные композиции и лирические пейзажи.
В 1922 году Сергей Лучишкин участвовал в выставке группы «проекционистов» в Музее живописной культуры и «1-й Дискуссионной выставке объединений активного революционного искусства» (1924), 1-й государственной передвижной выставке картин (1925, Москва, Саратов, Волгоград, Казань, Нижний Новгород), художественных произведений к 10-летнему юбилею Октябрьской революции (1928), «Жизнь и быт детей Советского Союза», 1-й передвижной выставке живописи и графики (обе – 1929), произведений революционной и советской тематики, «Социалистическое строительство в Советском искусстве» (обе – 1930), отчётных работ художников, командированных в районы индустриального и колхозного строительства (1931, 1932), «Антиимпериалистической выставке, посвящённой международному Красному дню» (1931), «Высокогорные районы СССР» (Москва, 1936), 4-й выставке картин современных русских художников (Феодосия, 1928), 3-й передвижной выставке, организованной сектором искусств Наркомпроса РСФСР по городам РСФСР и республикам СССР (1931), «Художники РСФСР за XV лет» (Ленинград и Москва, 1932–1933) и других. Лучишкин участник многих зарубежных выставок советского искусства: в Японии (1926–1927, передвижная), Амстердаме (1929), США (1929, 1933, передвижные), Вене, Лондоне, Берлине, Стокгольме (все – 1930), Цюрихе, Йоханнесбурге (обе – 1931), Кенигсберге (1932), Копенгагене (1934), Софии (1936), немецких художников в Берлине (1928). Персональные выставки Лучишкина прошли в Москве (1934, 1966, 1974, 1979).
Творчество Сергея Лучишкина представлено во многих музейных собраниях, в том числе в Государственной Третьяковской галерее, Государственном Русском музее и других.
Сергей Лучишкин скончался 27 ноября 1989 года в Москве.
