Детство и юность будущего архиепископа Сергия (в миру Павел Александрович Голубцов) прошли в Сергиевом Посаде под покровом обители преподобного Сергия Радонежского. Его отец, Александр Петрович Голубцов, талантливый ученый, доктор богословия, профессор Московской духовной академии по кафедре литургики и церковной археологии, также читал лекции в Московском училище живописи, ваяния и зодчества. Мать, Ольга Сергеевна Голубцова, была дочерью ректора Московской духовной академиии протоиерея Сергия Смирнова. В этой глубоко религиозной семье 16 (29) апреля 1906 года родился сын Павел. С детства он находился в духовной атмосфере, часто посещал монастыри, имел близкое знакомство с выдающимися старцами того времени. Из 12 детей семьи Голубцовых четверо полностью посвятили свою жизнь служению Церкви.

В 1923 году Павел Голубцов окончил школу и, обладая художественными наклонностями, в 1923—1924-м начал учиться живописи в Сергиевом Посаде у художников М.В. Боскина и Е.И. Столицы. В те же годы он познакомился с жившим в Сергиевом Посаде священником Павлом Флоренским, который в 1918-1920-х был ученым секретарем Комиссии по охране памятников искусства и старины Троице-Сергиевой лавры. Отец Павел оказал большое влияние на Павла Голубцова. Также он был близко знаком с наместником лавры архимандритом Кронидом (Любимовым), который благословил его в 1923 году на монашеский путь. В те годы юноша особенно близко воспринимал духовный облик преподобного Сергия Радонежского, своего будущего небесного покровителя; его молитвенную помощь он ощущал всю свою жизнь.

В жизни П.А. Голубцова есть такой важный эпизод, как сохранение им главы преподобного Сергия Радонежского от поругания. В 1928 году летом он тайно перенес честную главу печальника Русской земли из Сергиева Посада в поселок Мешаловку, под Люберцами, где жил тогда Юрий Александрович Олсуфьев. Уже перед самым призывом на фронт он вновь перенес главу преподобного Сергия теперь уже из Люберец к своему духовнику, старцу схиархимандриту Илариону (Удодову), который служил в храме в честь Владимирской иконы Божией Матери в селе Виноградове под Москвой. Глава чудотворца Сергия хранилась в алтаре храма под престолом. Вернувшись с фронта, Павел Александрович уже в третий раз перенес честную главу преподобного Сергия из Владимирского храма на московскую квартиру Е.П. Васильчиковой, которая затем передала бесценную святыню Святейшему Патриарху Алексию I.

В 1924 году Павел Александрович Голубцов переехал в Москву и поступил на работу в Государственный исторический музей. В 1925 году он трудился в Отделе древнерусской живописи Государственных центральных реставрационных мастерских под руководством академика И.Ю. Грабаря. В 1929–1930 годах обучался в Московском государственном университете на отделении теории и истории изобразительных искусств этнологического факультета. С 1925 года занимался реставрацией живописи в ГИМе и оформлением выставок в музеях. В марте 1930 года Голубцов был выслан в Северный край, по статье 58–10, сроком на 3 года, работал художником-декоратором в железнодорожном клубе города Няндома. Вернувшись из ссылки в Москву, Павел Александрович в течение семи лет работал художником-оформителем по различным договорам в учреждениях Москвы. Среди его реставрационных трудов: участие в бригаде художника-реставратора Д.Ф. Богословского по реставрации расписных плафонов XVIII века в зданиях Государственного музея Л.Н. Толстого на Кропоткинской улице и на улице Большой Спасской; зарисовка новгородских фресок в храмах Спаса-на-Нередице, Успения на Волотове поле, Рождества Христова на поле, пророка Илии; укрепление фресок в храме Спаса на Ковалевом поле под руководством художника-реставратора А.И. Попова; переноска ранее снятых фресок Сретенского монастыря XVII века; пробное раскрытие фресок Пафнутиево-Боровского монастыря в связи с научно-исследовательской работой; снятие научной копии с портрета XVII века боярина Морозова (Музей быта); реставрация копии с парсуны 1693 года Святейшего Патриарха Адриана, выполненной в 1758 году. В 1940 году вновь был приглашен в Государственный исторический музей на научно-реставрационную работу, которой занимался до дня мобилизации в августе в 1941 года. В течение этого первого года, помимо реставрационных работ, Павел Александрович написал и прочитал два доклада на Ученом совете ГИМа: «К вопросу о монументальной живописи в бывшем Пафнутьево-Боровском монастыре в связи с его архитектурой» и «Два портрета патриарха Адриана в собрании Государственного исторического музея».

Во время Великой Отечественной войны Павел Голубцов был призван в армию и до 1945 года нес службу в звании сержанта в 6-м запасном учебном автомобильном полку. Там же он работал в качестве батальонного, а затем полкового художника. Награжден медалью «За победу над Германией в Великой Отечественной войне». После демобилизации поступил на второй курс Православного богословского института в Москве, впоследствии реорганизованного в Московскую духовную семинарию. После ее окончания в 1947 году поступил в Московскую духовную академию. Помимо учебы неоднократно привлекался к художественно-реставрационным работам как музейный специалист и опытный реставратор. Перейти на церковное служение и принять монашество и сан Павла Голубцова благословил его старец — схиархимандрит Иларион (Удодов). Отец Иларион, с которым Голубцов познакомился в 20—30-е годы, оказал влияние на духовное развитие будущего архипастыря. Любовь к глубокой внутренней молитве, смирение и постоянный тяжелый телесный труд — вот основные черты, унаследованные владыкой Сергием от схиархимандрита Илариона. 2 апреля 1950 года послушник Павел был пострижен в монашество с наречением имени в честь преподобного Сергия Радонежского, уже 7 апреля рукоположен Патриархом Алексием I в сан иеродиакона, а 28 мая им же — в сан иеромонаха.

В 1950–1953 годах иеромонах Сергий — ответственный представитель от Московской Патриархии по реставрации Троицкого собора лавры. Иеромонах Сергий убедительно доказывал государственной комиссии необходимость полной росписи стен Троицкого собора в стиле сохранившихся фрагментов фресок XVII века. В августе 1949 года академик И.Ю. Грабарь писал: «в его лице объединяются знающий археолог, наделенный большой интуицией искусствовед и практик-реставратор». Участвовал в реставрации иконостаса и росписи трапезного Успенского храма в Новодевичьем монастыре (1946); возглавлял группу по реставрации «Царских чертогов» Московской духовной академии (1946–1947); возглавлял бригаду художников по реставрации живописи главного купола Богоявленского патриаршего собора в Москве (1947); был помощником главного художника по реставрации настенной живописи Богоявленского патриаршего собора (1954), руководил написанием икон для иконостаса кафедрального собора в Ростове-на-Дону (1954); был членом художественной комиссии при строительном комитете по восстановлению храма Московской духовной академии.

С 1951 года иеромонах Сергий нес послушание духовника богомольцев лавры, а также был экскурсоводом иностранных гостей. После окончания Академии со степенью кандидата богословия за представленное сочинение «Способы воплощения богословских идей в творчестве преподобного Андрея Рублева» был оставлен в МДА преподавателем церковной археологии и древнееврейского языка. Написал курс лекций по церковной археологии с привлечением новых данных из области русской живописи и архитектуры, а также составил краткий курс лекций по древнееврейскому языку. Кроме того, вел преподавание священной истории Ветхого и Нового Заветов. Еще будучи студентом, предложил администрации Академии создать живописный кружок и организовать Церковно-археологический кабинет. Первую небольшую витрину он поставил в классной аудитории и поместил в нее несколько древних церковных предметов, ему лично принадлежавших. В 1953 году иеромонах Сергий возглавил ЦАК и кружок.

18 июля 1954 года возведен в сан архимандрита. 30 октября 1955 состоялась его хиротония во епископа Старорусского, викария Ленинградской епархии. 22 ноября 1956-го Новгородская епархия была выделена в самостоятельную епархию, и епископ Сергий стал ее управляющим. Он организовал в Новгороде епархиальное управление, а при нем — мастерские по пошиву облачений, ряс и других церковных одежд и принадлежностей, реставрации икон, столярную мастерскую и бригаду рабочих по ремонту храмов епархии. В 1959 году были проведены большие реставрационно-живописные работы в новгородском Никольском соборе, в результате которых была выявлена художественная стенная темперная живопись XVIII века. Заботился об учете, охране и реставрации древних икон в различных приходах. Помимо больших реставрационных работ, епархиальная деятельность Владыки Сергия характеризовалась прекрасно поставленным богослужением.

В ознаменование 1100-летия Великого Новгорода 23 августа 1959-го утвержден в звании епископа Новгородского и Старорусского. 14 июля награжден орденом в честь иконы Божией Матери «Неопалимая Купина», переданным от архиепископа Синайского через митрополита Илию (Карама). 25 февраля 1963-го владыка Сергий был возведен в сан архиепископа, а 12 мая того же года награжден правом ношения креста на клобуке в ознаменование 50-летия служения святейшего Патриарха Алексия в епископском сане и в память их «совместного церковного служения». В январе 1968 года архиепископ Сергий был уволен за штат, с определением его на местожительство в Троице-Сергиеву лавру. Пока позволяло здоровье, владыка Сергий продолжал служить.

Скончался владыка Сергий 16 июня 1982 года от инсульта. Отпевание в Успенском соборе Троице-Сергиевой лавры возглавили его духовный сын митрополит Минский и Белорусский Филарет и собрат архиепископ Волоколамский Питирим. Погребен у алтаря церкви в честь Сошествия Святого Духа на апостолов. Он завершил свой жизненный путь там, где начинал его — под покровом преподобного Сергия, потому что был его истинным учеником.

Память архиепископа Сергия 16 июня.