Родился в городе Арзамасе, ныне Нижегородской области, в семье протоиерея. 

Окончил Нижегородскую духовную семинарию (1886) и Санкт-Петербургскую духовную академию (1890). 

1890-1891 и 1897-1901 - член Православной духовной миссии (Япония). 

1891-1893 - судовой священник на корабле «Память Азова».

В 1893 году был назначен исполняющим должность доцента по кафедре Священного писания Ветхого завета Санкт-Петербургской духовной академии, затем - исполняющим должность инспектора Московской духовной академии. 21 сентября 1894 года был возведён в сан архимандрита.

1894-1897 - настоятель Русской посольской церкви в Афинах.

1901-1917 - ректор Санкт-Петербургской духовной академии, архиепископ Финляндский и Выборгский. Член Святейшего Синода (1911). 

1917-1922 - архиепископ Владимирский и Шуйский. 28 ноября 1917 года был возведён в сан митрополита.

С 1922 года епархией не управлял. Первоначально примкнул к обновленческому церковному движению. В 1923 году, после публичного покаяния, был вновь принят в лоно Православной Русской Церкви. 

1924-1934 - митрополит Нижегородский. В 1926-1927 годах был под арестом.

1934-1943 - митрополит Московский и Коломенский.

8 сентября 1943 года Архиерейским Собором митрополит Сергий был избран Патриархом Московским и всея Руси.  

Умер в Москве, погребён в Николаевском приделе Елоховского Богоявленского собора.

Награды: бриллиантовый крест для ношения на клобуке (06.05.1912), ордена Св. Владимира 2-й степени (1909), Св. Александра Невского (1915).

Память: 13 августа 2017 года в городе Арзамасе был открыт памятник патриарху Сергию.