Sérgio Machado a tourné son premier court métrage Troca de Cabeças en 1993.
En 1995, il collabore pour la première fois avec Walter Salles. Assistant réalisateur sur les films Central Do Brasil, Le Premier jour et Avril brisé, il était également coscénariste de ce dernier film. Il a aussi cosigné le scénario du film Madame Satã de Karim Aïnouz. En 2001, il signe la réalisation du documentaire Onde a Terra Acaba sur le cinéaste Mário Peixoto, qui a été récompensé dans quinze festivals dont ceux de Biarritz, La Havane et Rio. Il a obtenu plus de trente récompenses avec son premier long métrage Bahia, ville basse, y compris le prix de la jeunesse à Cannes. En 2007, il réalise et coécrit avec Karim Aïnouz la série télévisée Alice pour HBO. En 2009, il adapte à l’écran le roman de Jorge Amado A Morte e a Morte de Quincas Berro d’Água. Il a également dirigé, avec Fernando Coimbra, le documentaire Aqui Deste Lugar.
