Сергий родился в 1314 г. у ростовских бояр Кирилла и Марии. Еще будучи беременной, стоя однажды на литургии, Мария была испугана криком ребенка, раздавшимся из ее чрева трижды,— перед чтением Евангелия, во время пения Херувимской и при возгласе «Святая святым». Новорожденный изумлял родителей необычным постничеством: в среду и пятницу совсем не ел молока, в другие же дни, стоило матери поесть мяса, отказывался от груди. При крещении младенца назвали Варфоломеем.

Когда он подрос, то стал повторять слова молитв за матерью и ходил с ней в храм. Родители отдали трех своих сыновей учиться, но младший, Варфоломей, оказался таким непонятливым, что никак не мог научиться читать, чем очень огорчал родителей. Отец послал его однажды привести лошадей с поля, и там, под дубом, мальчик увидел молившегося старца. «Отче святый, помолись за меня Богу, чтобы Он помог мне познать грамоту»,— попросил Варфоломей. Инок прочел молитву и дал мальчику кусочек просфоры: «Отныне Бог дает тебе, чадо, уразуметь грамоту». (Это момент запечатлен М. Нестеровым в одной из лучших его картин – «Видение отроку Варфоломею».) Варфоломей очень обрадовался и упросил инока посетить дом его родителей. Велико же было их удивление, когда перед трапезой их сын стал стройно читать псалмы. Прощаясь, старец сказал Марии: «Велик будет ваш сын перед Богом и людьми, он станет избранной обителью Святого Духа».

С этого времени мальчик без труда читал и не пропускал ни одного богослужения. Он наложил на себя строгий пост: хлеб и вода в обычные дни, а в среду и пятницу — никакой еды. Когда Варфоломею было 15 лет, родители его, сильно обедневшие после татарских набегов, переселились в Радонеж, под Москвой. Двадцати лет Варфоломей стал просить родителей отпустить его в монастырь, но Кирилл и Мария хотели, чтобы сын дождался их кончины. Перед смертью они постриглись в Покровском монастыре.

Похоронив родителей, Варфоломей и старший брат его Стефан, овдовевший и принявший монашество, решили стать отшельниками. В глухом лесу братья поставили церковь и келью, но вскоре, не выдержав суровой жизни, Стефан перешел в Московский Богоявленский монастырь. Варфоломей же, постриженный с именем Сергий, обретал все большую духовную силу, и вскоре около него собралось 12 иноков, искавших его наставничества. Преподобный Сергий выполнял самую тяжелую работу: своими руками поставил кельи, носил воду, рубил дрова. Он же выпекал хлеб, шил одежду, готовил пищу для братии. Иноки удивлялись, как, соединяя тяжелый труд с молитвой, бдением и постом, преподобный оставался бодр и крепок. По общему желанию братии, но вопреки своей воле преподобный Сергий был поставлен игуменом. Умножая свои подвиги, каждый день преподобный служил Божественную Литургию, причем сам делал для нее свечи, варил кутью, молол муку, пек просфоры. Святой Сергий был не менее требователен и к братии.

Помимо внутреннего делания, преподобный заповедовал братии дела милосердия — нищелюбие, страннолюбие, уход за больными.. По дороге, которую к тому времени провели мимо монастыря, приходили в него нуждающиеся в приюте, пище, духовном и физическом исцелении. Тогда же проявились духовные дары преп. Сергия: по его молитве исцелялись больные, изгонялись бесы.

По словам одного современника, Сергий «тихими и кроткими словами» мог действовать на самые загрубелые и ожесточённые сердца; очень часто примирял враждующих между собой князей, уговаривая их подчиняться великому князю, благодаря чему ко времени Куликовской битвы почти все русские князья признали главенство Дмитрия Иоанновича. Отправляясь на эту битву, тот в сопровождении князей, бояр и воевод поехал к Сергию за благословением. Благословляя, Сергий предрёк ему победу и спасение от смерти и отпустил в поход двух своих иноков, Пересвета и Ослябю.

Приблизившись к Дону, Димитрий Иоаннович колебался, переходить ли ему реку, и только по получении от Сергия ободрительной грамоты, увещевавшей его как можно скорее напасть на татар, приступил к решительным действиям. После победы в Куликовской битве великий князь ещё с большим благоговением стал относиться к радонежскому игумену и пригласил его в 1389 г. скрепить духовное завещание, узаконивающее новый порядок престолонаследия от отца к старшему сыну.

Достигнув глубокой старости, Сергий за полгода прозрел свою кончину. Накануне преподобный в последний раз призвал братию и обратился со словами завещания: «Внимайте себе, братие. Прежде имейте страх Божий, чистоту душевную и любовь нелицемерную…»

Сергий скончался 25 сентября 1392 г., а через 30 лет были обретены нетленными его мощи и одежды. В 1452 году он был причислен к лику святых. Церковь отмечает его память в день кончины 25 сентября (8 октября), а также 5 (18) июля, в день обретения мощей.