Első zongoraleckéit ötévesen vette édesanyjától, de már ekkor érdekelte a komponálás is. Első zongoraműveit édesanyja jegyezte le, tízévesen már befejezte első két operáját. 1904-ben kezdte meg konzervatóriumi tanulmányait, többek közt Rimszkij-Korszakovtól tanult hangszerelést, zeneszerzést, zeneelméletet, zongorajátékot és dirigálást. 1909-ben fejezte be zeneszerzői, öt évvel később zongorista tanulmányait, orgonatanulmányait 1917-ig folytatta.

Zongoristaként első nyilvános koncertjén saját, Ördögi látomások című művét adta elő 17 évesen, később is előszeretettel játszotta a maga által írt darabokat. 1911-ben szerezte első zongoraversenyét, s három évvel később első nagyobb lélegzetű zenekari művét, az eredetileg táncjátéknak szánt Szkíta szvitet. 1915-ben Dosztojevszkij műve nyomán kezdte komponálni A játékos című operáját, ezután született egyik legsikeresebb zenekari műve, első szimfóniája. A darabot ő látta el a "klasszikus" jelzővel, mert a bécsi klasszikusok, Haydn és Mozart azonos műfajú darabjai nyomdokába akart lépni, harmóniavilága ugyanakkor már saját stílusát tükrözte. Prokofjev összesen hét szimfóniát írt, az utolsót halála előtt két évvel.

Prokofjev 1918 májusában külföldi vendégszereplésre indult, a másfél éves út során meghódította Amerikát, Európát, Japánt. 1919 és 1923 között írta korai korszakának olyan remekműveit, mint a Három narancs szerelmese és a Tüzes angyal című opera. A húszas években Párizsban dolgozott, két balettet komponált Gyagilev Orosz Balettje számára (az orosz népmesei témán alapuló A bohócból később zenekari szvit is született), s három-három szimfóniát és zongoraversenyt is írt. 1927-ben nagy sikerrel lépett fel a Szovjetunióban, ahová a harmincas években tért vissza.

Hazatérését követően írt filmzenét (Eizenstein A jégmezők lovagja című alkotásához), balettet (Rómeó és Júlia, Hamupipőke), operát Tolsztoj Háború és béke című regénye alapján, a mű egyben a 2. világháború szörnyűségeinek lenyomata, s elkészítette közismert gyermekmeséjét, a Péter és a farkas című szimfonikus költeményt.

A 2. világháború alatt hazafias, lelkesítő darabokat komponált, az 1943-as 7. zongoraszonátáért először kapta meg a Sztálin-díjat. A háború befejeződése után számos bírálat érte, a korábbinál világosabb és egyszerűbb stílusát is formalizmusnak minősítették, a nyugat dekadens zenéje iránti szimpátia vádjával illették, elsősorban a nyílt nemzeti jelleg hiányát vetették szemére. Prokofjev megpróbált alkalmazkodni az elvárásokhoz - műveiben a groteszk elemeket lírai melódiagazdagság váltotta fel, és mintegy maga mentségeként megírta a Békeőrségen című oratóriumot. Utolsó jelentős művének, a Kővirág című táncjátéknak a bemutatóját már nem érte meg: 1953. március 5-én halt meg Moszkvában, ugyanaznap, mint Sztálin.

Prokofjev hat alkalommal kapta meg a Sztálin-díjat, 1946-ban egy év alatt háromszor, az 5. szimfóniáért és a 8. zongoraszonátáért, a Rettegett Iván című filmzenéért, valamint a Hamupipőke című balettért. 1947-ben az orosz szovjet köztársaság népművésze lett, 1957-ben pedig posztumusz Lenin-díjjal tüntették ki utolsó szimfóniájáért.