Родился 21 апреля 1955 года в Петрозаводске.
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», пройдя путь от мастера на стройке до главного инженера.
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, был председателем комиссии по экономике.
21 июня 1990 года был избран председателем исполкома Петрозаводского горсовета народных депутатов. В декабре 1991 года – 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».
В Законодательном собрании Республики Карелия, членом Палаты Республики которого он являлся будучи главой муниципального образования, занимал должность председателя Конституционного комитета.
26 апреля 1998 года состоялись выборы председателя правительства Республики Карелия – высшего должностного лица региона. Катанандов занял первое место с 36 % голосов. Во втором туре, прошедшем 17 мая 1998 года, выиграл выборы с результатом в 49,48 %.
В качестве председателя правительства Республики Карелия получил полномочия члена Совета Федерации Федерального собрания Российской Федерации, где входил в комитет по делам федерации, федеративному договору и региональной политике.
С марта по сентябрь 2001 года являлся членом президиума Госсовета России.
С 12 мая 2002 года, после проведения общереспубликанского референдума, должность именуется «премьер-министр правительства Республики Карелия». Сергей Катанандов проработал в этой должности до 31 декабря 2002 года.
28 апреля 2002 года на выборах главы Республики Карелия победил в первом туре, набрав 53,35 % голосов.
26 февраля 2006 года Владимир Путин внес кандидатуру Катанандова на рассмотрение заксобрания Карелии, и уже 3 марта депутаты единогласно утвердили его в должности главы Республики (на 5 лет).
30 июня 2010 года 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 занял пост первого заместителя Комитета по федеративному устройству, региональной политике, местному самоуправлению и делам Севера, а также вошел в Комиссию по вопросам развития институтов гражданского общества и Комиссию по взаимодействию со Счетной палатой Российской Федерации.
14 июня 2012 года переназначен в должности новым главой республики Александром Худилайненом. Срок полномочий истекает в мае 2017 года.
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.