Родился во Владимире.

В 1950 году - окончил Школу-студию имени В.И. Немировича-Данченко при МХАТе, мастерская Сергея Блинникова и Виктора Станицына (ныне Школа-студия (институт) имени Вл. И. Немировича-Данченко при Московском художественном академическом театре им. А. П. Чехова).

В 1950 году - поступил на работу в Московский художественный академический театр. В том же году он был командирован в труппу Театра Советской армии для прохождения военной службы.

В 1953 году - вернулся во МХАТ.

С 1957 г. по 1975 г. — актер и режиссер киностудии «Ленфильм».

С 1989 г. — заведующий кафедрой актерского мастерства. Выпустил в качестве руководителя курса 7 актерских мастерских.

Снявшись в 1954 году в роли Алексея Журбина в кинокартине «Большая семья» Иосифа Хейфица, навсегда связал свою жизнь с кинематографом. Снялся более чем в 40 картинах; только у Хейфица Баталов снялся в пяти картинах: «Большая семья» (1954), «Дело Румянцева» (1955), «Дорогой мой человек» (1958), «Дама с собачкой» (1959), «День счастья» (1964).

В 2007–2013 годах -  был президентом Российской академии кинематографических искусств «Ника».

Многие годы являлся секретарем правления Союза кинематографистов СССР, председателем комиссии ВЦСПС по премиям в области литературы, искусства и журналистики.

С февраля 2007 г. — председатель Российской академии киноискусств.

Народный артист СССР, Герой Социалистического труда, лауреат Государственных премий.