Родился 21 апреля 1955 года в Петрозаводске в семье Леонида Дмитриевича и Людмилы Александровны Катанандовых. Отец с 1965 по 1986 год возглавлял строительный комплекс Карелии — Главсевзапстрой.
Обучался в средней школе № 30 города Петрозаводска.
В 1972 году, по окончании школы, поступил в Петрозаводский государственный университет имени О. В. Куусинена на факультет промышленного и гражданского строительства. Через пять лет, в 1977 году окончил его.
С 1977 года по 1988 год работал в СМУ № 1 треста «Петрозаводскстрой» (последняя должность — главный инженер). С мая 1989 года по июнь 1990 года работал начальником проектно-строительного объединения крупнопанельного домостроения в Петрозаводске.
В 1987 году избран депутатом Петрозаводского городского Совета народных депутатов.
21 июня 1990 года был избран председателем исполкома Петрозаводского горсовета народных депутатов.
В декабре 1990 года избран мэром Петрозаводска.
В 1994 году с отличием окончил Северо-Западный кадровый центр (Институт государственной службы) по специальности «государственное и муниципальное управление».
В 1996 году окончил Северо-Западную академию госслужбы (Санкт-Петербург) по специальности «юриспруденция».
Председатель Конституционного комитета Законодательного Собрания Республики Карелия.
26 апреля 1998 года состоялись выборы Председателя Правительства Республики Карелия — высшего должностного лица Республики Карелия. Во второй тур вышли мэр Петрозаводска Сергей Катанандов и действующий руководитель республики Виктор Степанов. 17 мая 1998 года выиграл выборы. Был избран Председателем правительства Республики Карелия и получил полномочия члена Совета Федерации Федерального собрания Российской Федерации.
В 1999 году вступил в движение Юрия Лужкова «Отечество».
С 12 мая 2002 года должность именуется «Премьер-министр Правительства Республики Карелия». Сергей Катанандов проработал в этой должности до 31 декабря 2002 года.
28 апреля 2002 года избран первым Главой Республики Карелия (на 4 года), получив в первом туре 53,35 % голосов.
26 февраля 2006 года президент России Владимир Путин внёс в Законодательное Собрание Республики Карелия кандидатуру Сергея Катанандова для наделения его полномочиями Главы Республики. Помимо Катанандова в списке кандидатов на пост Главы республики были спикер Законодательного Собрания Николай Левин и председатель правительства Павел Чернов. 3 марта депутаты Законодательного Собрания единогласно утвердили Сергея Катанандова в должности Главы Республики (на 5 лет).
В конце мая 2009 года оказал давление на петрозаводскую бесплатную газету «Искра» из-за публикации перевода критической статьи о президенте Дмитрии Медведеве. Газета принадлежит бизнесмену и политику, Председателю горсовета карельской столицы Василию Попову, политическому противнику Катанандова.
30 июня 2010 года Катанандов по собственному желанию досрочно сложил полномочия главы республики, хотя срок полномочий истекал лишь в марте 2011 года.
С 22 сентября 2010 года — член Совета Федерации Федерального Собрания РФ от исполнительной власти Республики Карелия. В Совете Федерации Сергей Катанандов вошёл в Комиссию по вопросам развития институтов гражданского общества, в Комиссию по взаимодействию со Счётной палатой Российской Федерации и в Комитет по вопросам местного самоуправления.
Кандидат философских наук. Действительный член Российской инженерной академии.
Возглавляет региональное отделение партии «Единая Россия» в Республике Карелия с момента его создания 1 марта 2002 года. Член партии «Единая Россия» с 22 декабря 2004 года.
Отмечается, что отставка Катанандова, последовавшая летом 2010 года, назревала давно, и о ней говорили ещё в 2006 году после беспорядков в Кондопоге; также отмечается, что рейтинг Катанандова неуклонно снижался. Также к руководству региона имелись претензии экономического характера, в частности по скандалам вокруг месторождений щебня; ситуация в сфере ЖКХ также являлась тяжёлой. В числе причин отставки также называются конфликт Катанандова с полпредом по Северо-Западу Ильёй Клебановым, поражение «Единой России» на выборах глав муниципальных образований, скандал вокруг выборов мэра Петрозаводска и конфликт вокруг утверждения сенатором Девлетхана Алиханова.