Son père, chef-opérateur et réalisateur réputé, lui transmet très tôt le goût du cinéma, et c'est alors qu'il est encore au collège que Santosh Sivan réalise son premier film en super 8 mm. A l'âge de treize ans, il intègre l'Institut du Cinéma et de la Télévision Indien de Pune, et réalise parallèlement plusieurs documentaires.

En 1989, Raakh, le premier film sur lequel il travaille en tant que directeur de la photographie, lui vaut la reconnaissance critique. Il devient ainsi l'un des chef-opérateurs indiens les plus réputés, s'occupant de la photo de plus de quarante films lors des années 1990 - dont cinq avec son réalisateur de prédilection Mani Rathnam : Dalapathi (1991),Kaalapani, Roja (1992), Iruvar (1997) et Dil se (1998) - et recevant des récompenses pour Perumthachan (1990), Kaala Pani, Iruvar et Mohiniyattam.

Halo, son premier film, lui vaut le prix national (équivalent des Césars) du meilleur film en 1996, et Malli, le combat d'une vie, qu'il réalise l'année suivante, est couronné par les prix nationaux du meilleur film tamoul et du meilleure montage. En 2000, il met en scène son troisième film, Ashoka the Great.