Доставшееся ему от отца наследство Варфоломеем было оставлено младшему брату, сам же он, не взяв себе ничего, направился к старшему брату в Хотьков, где тот после смерти жены монашествовал в обители Покрова святой Богородицы. Встретившись с ним, он попросил у старшего брата помощи в поисках пустынного места, подходящего для уединенных молитв. Они нашли такое место за десять верст от Радонежа, посреди леса, и Стефан помог Варфоломею сначала хижину соорудить, а потом поставить келью и срубить небольшую церковку, которая была освящена во имя Святой Троицы. Однако сам он, некоторое время прожив с братом в пустыни, не пожелал остаться. Он «увидел труд пустынный, житие скорбное, суровое, со многой теснотой, лишениями и недостатками: не получали они ниоткуда ни яств, ни питья, ни прочих припасов, ибо никто не приходил к ним и ничего не приносил. Не было вокруг пустыни той ни сел, ни дворов, ни людей, ни проезжих дорог, не было там ни прохожего, ни посещающего, но со всех сторон все лес да пустынь». Тягостна была Стефану такая жизнь, и он, оставив Варфоломея пустынножительствовать в одиночку, ушел в Москву, где поселился в Богоявленской обители.
В «седьмой день месяца октября» 1337 года Варфоломей был пострижен «в ангельский образ» призванным им к себе в пустыньку игуменом Митрофаном и принял в монашестве имя Сергий. После того, как по его просьбе благословил новоиспеченного инока, игумен удалился в свою обитель, и Сергий остался один «иночествовать и безмолвствовать».
Одинокая жизнь в пустыни среди лесной чащи трудна, голодна и страшна — дикое зверье повсюду вокруг. Взял привычку к Сергию в пустынь наведываться медведь. Инок подкармливал хозяина леса, говорил со зверем. Часто сам голодным оставался, однако с медведем непременно делился тем, что было Богом послано.
Однако не долгое время жил Сергий один. Примерно через два года пустынных его трудов стал Господь приводить к нему богобоязненных монахов, которым хотелось жить рядом с ним и спасать свою душу. Каждому, кто был святым принимаем, предстояло своими руками выстроить для себя келью, и всех он предуведомлял: «Если в пустынь эту вы жить пришли, если со мной на месте этом жить хотите, если служить Богу вы пришли, приготовьтесь терпеть скорби, беды, печали, всякие несчастья, и нужду, и лишения, и бедность, и недосыпание».
В 1354 году братия избрала Сергия своим игуменом, как старейшего. Однако, принявши игуменство, он неизменно следовал правилу «Если кто хочет быть старейшим, да будет всех меньше и всем слуга», служа во всем примером монахам. Никакая работа его не пугала, новой одеждой он никогда не пользовался. Та риза, что носил Сергий, была сермяжной, из грубого сукна, какое прядется и ткется из простой шерсти овечьей. Не было у него иной цели, кроме как служить Господу.
