Точная дата рождения святого неизвестна. В литературе встречается несколько версий с разбросом от 1312 до 1322 года. Церковь, однако, официально считает днём его рождения 3 мая 1314 года. При рождении будущий святой получил имя Варфоломей. Его отец боярин Кирилл был служилым человеком у ростовских удельных князей.

В 1328 году семья перебралась из села Варницы под Ростовом Великим в подмосковный Радонеж, где и прошли детские годы святого.

В возрасте 10 лет его вместе с братьями отдали учиться грамоте. В учебе он не преуспевал, однако смог ознакомиться со Священным писанием и заинтересовался иноческим житьем.

Родители Варфоломея после женитьбы старшего сына ушли в Покровский Хотьков монастырь. Туда же после их смерти ушёл и Варфоломей. Однако вскоре вместе с братом Стефаном основал пустынь на месте будущей Троице-Сергиевой лавры – на холме Маковец на берегу реки Кончуры посреди глухого Радонежского бора. Там братья построили деревянную церковь Святой Троицы (ныне на этом месте стоит соборный храм Святой Троицы Троице-Сергиевой лавры).

Стефан вскоре ушёл в Богоявленский монастырь в Москву, а Сергий призвал игумена Митрофана и принял от него постриг под именем Сергия (это произошло в день святых Сергия и Вакха).
Вскоре в пустынь стали перебираться иноки. В 1345 году она оформилась как Троице-Сергиев монастырь. Сергий, который стал вторым игуменом (первым был Митрофан) и пресвитером монастыря запретил монахам принимать подаяние, велев жить своим трудом.

Утверждается, что Сергий Радонежский накануне Куликовской битвы уговорил враждующих между собой князей (ростовского, нижегородского, рязанского) объединиться под началом московского великого князя. Считается также, что он благословил Дмитрия Донского на битву с татарами – по одной версии, на Куликовскую, по другой – на битву на реке Воже 1378 года.

Житие святого гласит, что тот совершил множество чудес. В частности, воскресил мальчика, умершего на руках отца, когда тот нёс ребёнка к Сергию для исцеления.

Сергий Радонежский умер 25 сентября (8 октября) 1392 года. А 5 (18) июля 1422 года были обретены его мощи.
Точных сведений и канонизации Сергия Радонежского и моменте, когда его начали почитать как святого, нет.

В 1920 году мощи святого были вскрыты в присутствии специальной комиссии. На тот момент сохранились кости, волосы и фрагменты монашеского одеяния, в котором он был похоронен. До 1946 года они хранились в музее в здании лавры, затем их возвратили церкви. Теперь им можно поклониться в лавре.