Batalov absolvoval štúdium herectva v roku 1950. Kariéru začínal v divadle MCHAT, neskôr sa však začal sústrediť na film. V komornom príbehu z druhej svetovej vojny Žeriavy tiahnu (1957) stvárnil Batalov Borisa, ktorý musí náhle narukovať. Jeho priateľka Veronika po čase podľahne zvádzaniu Borisovho bratranca Marka, za ktorého sa vydá. Neskôr zistí, že to bol veľký omyl… Žeriavy tiahnu režiséra Michaila Kalatazova mali úspech aj vo svete – na festivale v Cannes získala snímka Zlatú palmu, prvú pre Sovietsky zväz a dočkala sa aj dvoch nominácií na cenu BAFTA.
Úspech Batalovovi priniesla aj úloha fyzika Guseva vo filme Deväť dní do jedného roka (1961) režiséra Michaila Romma. Príbeh dvoch jadrových fyzikov, ktorí sú sokmi v láske a jedného z nich počas experimentu zasiahne rádioaktívne žiarenie, získal Krištáľový glóbus na festivale v Karlových Varoch.
V jednom z komerčne najúspešnejších sovietskych filmov prelomu 70. a 80. rokov rokov Moskva slzám neverí (1979), stvárnil Batalov zámočníka Gošu, vďaka ktorému jedna z trojice protagoniestiek filmu nájde po rokoch konečne pravú lásku.
Batalov pôsobil aj ako režisér. Debutoval filmom Plášť (1959) podľa Gogoľovej predlohy. V koprodukcii s Československom nakrútil v roku 1972 adaptáciu Dostojevského Hráča, do ktorej obsadil aj viacero českých hercov. Podpísaný je aj pod rozprávkou O princovi so železným srdcom (1966) podľa predlohy Jurija Olešu Traja brucháči.
