Figlio dell'attore Cesare Fantoni, cominciò a lavorare giovanissimo nel teatro di prosa con la compagnia Rina Morelli - Paolo Stoppa e con Vittorio Gassman. Nel 1955 è approdato in televisione con Il mercante di Venezia di William Shakespeare, ottenendo un lusinghiero successo di critica e di pubblico. A quella data Fantoni poteva già vantare una certa esperienza di attore cinematografico, poiché il suo esordio in questo campo risaliva al 1950, con il film Paolo e Francesca, diretto da Raffaello Matarazzo. Negli anni successivi, Fantoni continuò a dividersi fra televisione e cinema, interpretando una lunga serie di film storico-avventurosi. Benché non si sia mai cimentato in parti di primo piano, alcune sue interpretazioni meritano comunque di essere ricordate: fra queste, i ruoli sostenuti ne I delfini (1960, F. Maschi), in Tiro al piccione (1961, Luigi Turolla), ne Il gattopardo (1963, Luchino Visconti). Caratterizzato dalla una recitazione molto sobria e controllata, in perfetta armonia con il suo aspetto gradevole e distinto, Fantoni si è a poco a poco imposto al pubblico dimostrando la sua versatilità come attore teatrale, cinematografico e televisivo. Nella prima fase della sua carriera, i personaggi da lui interpretati potevano forse apparire un po' monocordi, incarnando quasi sempre lo stereotipo del giovane serio, dotato di buon cuore e di alti e nobili sentimenti, ma tuttavia ricco di umanità e di sensibilità. Con il trascorrere degli anni e con il sopraggiungere della maturità, la gamma espressiva dell' attore si è notevolmente ampliata e diversificata, pur mantenendo sempre un innato senso di signorilità e di controllo. A livello di curiosità, possiamo ricordare che nel 1982, in Delitto di stato, una storia ambientata alla corte dei Gonzaga, Sergio Fantoni fu protagonista, non senza polemiche, del primo nudo integrale maschile televisivo, nella parte di Tommaso Striggi, cancelliere del duca di Mantova.