В раннем возрасте Варфоломея отдали обучаться грамоте в церковной школе вместе с братьями – старшим Стефаном и младшим Петром. В отличие от своих успешных в учебе братьев Варфоломей существенно отставал в обучении. В один из дней, по поручению отца, Варфоломей искал лошадей. Во время поисков он вышел на поляну и увидел под дубом старца-схимника. Старец, увидев мальчика, обратился к нему: «Что ты ищешь и чего хочешь, чадо?». Земно поклонившись, с глубоким душевным волнением поведал Варфоломей ему свое горе и просил старца молиться, чтобы Бог помог ему одолеть грамоту. Помолившись, старец вынул из-за пазухи ковчежец и взял из него частицу просфоры, благословил и, велев съесть, сказал: «То тебе дается в знамение благодати Божией и понимания Священного Писания <…> о грамоте, чадо, не скорби: знай, что отныне Господь дарует тебе хорошее знание грамоты, большее, чем у твоих братьев и сверстников». Так же старцем было предсказано, что «отрок будет велик пред Богом и людьми за свою добродетельную жизнь».
Около 1328 года сильно обедневшая семья Варфоломея была вынуждена перебраться в город Радонеж. После смерти родителей Варфоломей сам отправился в Хотьково-Покровский монастырь, где уже иночествовал его овдовевший брат Стефан. Стремясь к «строжайшему монашеству», к пустынножитию, он оставался здесь недолго и, убедив Стефана, вместе с ним основал пустынь на берегу реки Кончуры, на холме Маковец посреди глухого Радонежского бора, где и построил (около 1335 года) небольшую деревянную церковь во имя Святой Троицы, на месте которой стоит теперь соборный храм также во имя Святой Троицы. Принял от игумена Митрофана монашеский постриг в 23 года.
Года через два или три к нему стали стекаться иноки; образовалась обитель, которая в 1345 оформилась как Троице-Сергиев монастырь (впоследствии Троице-Сергиева лавра) и Сергий был ее вторым игуменом (первый – Митрофан) и пресвитером (с 1354), подававшим всем пример своим смирением и трудолюбием. Запретив принимать подаяние, Сергий поставил правилом, чтобы все иноки жили от своего труда, сам подавая им в этом пример. Постепенно слава его росла; в обитель стали обращаться все, начиная от крестьян и кончая князьями.
По словам одного современника, Сергий «тихими и кроткими словами» мог действовать на самые загрубелые и ожесточенные сердца; очень часто примирял враждующих между собой князей, уговаривая их подчиняться великому князю московскому (например, ростовского князя – в 1356, нижегородского – в 1365, рязанского Олега и др.), благодаря чему ко времени Куликовской битвы почти все русские князья признали главенство Дмитрия Иоанновича. Как сказано в Житии Сергия, отправляясь на эту битву, Дмитрий в сопровождении князей, бояр и воевод поехал к Сергию, чтобы помолиться с ним и получить от него благословение. Благословляя его, Сергий предрек ему победу и спасение от смерти и отпустил в поход двух своих иноков, Пересвета и Ослябю.
