Учился в Первой Санкт-Петербургской военной гимназии, окончил по первому разряду Пажеский корпус в 1875 году. Позднее вспоминал «Мы были воспитаны в вере и Православии, но если выходили из корпуса недостаточно проникнутыми церковностью, однако хорошо понимали, что Православие есть сила, крепость и драгоценность нашей возлюбленной родины». Также получил образование в Михайловской артиллерийской академии.
В 1875 году — поступил в чине подпоручика в 7-ю конно-артиллерийскую бригаду, в связи с её упразднением переведён в 5-ю конно-артиллерийскую бригаду. Был прикомандирован к 1-й Его Величества батарее Гвардейской конно-артиллерийской бригады.
В 1876 году — прапорщик, затем подпоручик 1-й Его Величества батареи Гвардейской конно-артиллерийской бригады.
В 1877—1878 годах участвовал в русско-турецкой войне. Награждён орденами св. Анны IV степени с надписью «За храбрость» (за отличие в сражениях под Горным Дубняком 12 октября и Телишем 16 октября 1877 года), св. Станислава III степени с мечами и бантом (за переход через Балканы 13 декабря — 19 декабря 1877 года), св. Анны III степени с мечами и бантом (за сражение под Филиппополем 3 января — 5 января 1878 года), саблей с дарственной надписью от императора (за осаду и взятие Плевны).
С 1878 года — поручик, с 1881 года — штабс-капитан. С 1880 года — адъютант помощника генерал-фельдцейхмейстера генерала графа А. А. Баранцова (генерал-фельдцейхмейстер командовал артиллерией российской армии). В 1881 году награждён орденом св. Станислава II степени.
В 1881 году был командирован во Францию на манёвры французских войск, изучал устройство французской артиллерии. В 1882 году награждён Кавалерским крестом ордена Почётного легиона и черногорским орденом Данилы Первого IV степени.
Принимал участие в решении вопросов о вооружении крепостей на западной границе России и оснащения болгарской армии. В 1883 году награждён Румынским Железным крестом, Болгарским орденом св. Александра III степени. В 1884 году награждён орденом св. Анны II степени.
В 1890 году уволен в отставку, в 1891 году «для сравнения со сверстниками» произведён в полковники.
С 1878 года был духовным чадом священника Иоанна Сергиева (Кронштадтского); по благословению последнего вышел в отставку и принял духовный сан. Епархиальный орган Тверской епархии в апреле 1914 года писал в биографическом очерке о своём новом архипастыре: «О. Иоанн Кронштадтский, у которого он проходил искус послушания, благословил его быть священником. <…>»
С 1881 года — староста Преображенского собора и ктитор Сергиевского всей Артиллерии собора в Санкт-Петербурге, в селе Клеменьеве самостоятельно изучал богословские науки. Интересовался проблемами народной медицины (автор системы лечения организма лекарствами растительного происхождения, которая изложена им в фундаментальном труде «Медицинские беседы»). Кроме того, подготовил к публикации мемуары адмирала П. В. Чичагова.
26 февраля 1893 года в Московском Синодальном храме Двунадесяти апостолов (в Кремле) был рукоположён в сан диакона; 28 февраля того же года — в сан священника этого храма. На свои деньги реставрировал храм и основал при нём Общество Белого креста, имевшее целью помощь офицерским детям.
С 14 февраля 1896 года — священник храма Николая Чудотворца в Старом Ваганькове (Москва), окормлял артиллерийские части Московского военного округа. До этого храм в течение тридцати лет был закрыт; о. Леонид на свои деньги реставрировал и его. В период настоятельства был награждён Болгарским орденом св. Александра «За гражданские заслуги» II степени и греческим орденом Христа Спасителя II степени.
В 1896 году вышло в свет первое издание составленной им «Летописи Серафимо-Дивеевского монастыря», значительная часть которой была посвящена деятельности Серафима Саровского. Посетил этот монастырь, где монахиня Пелагия, помнившая старца Серафима, сказала ему: «Вот хорошо, что ты пришел, я тебя давно поджидаю: преподобный Серафим велел тебе передать, чтобы ты доложил Государю, что наступило время открытия его мощей, прославления». Позднее действительно получил аудиенцию у императора Николая II, передал ему свою книгу, что способствовало канонизации Серафима Саровского.
Овдовев, 14 августа 1898 года пострижен в монашество с именем Серафим. В 1899 году был назначен настоятелем суздальского Спасо-Евфимиева монастыря с возведением в сан архимандрита. Занимался реставрацией этого монастыря, написал житие преподобного Евфимия. При нём было отремонтировано арестантское отделение (предназначавшееся для лиц духовного звания), для узников устроена библиотека, а некоторые из них освобождены по его ходатайству.
В 1902 году по повелению императора и определению Священного синода ему были поручены подготовительные работы к канонизации Серафима Саровского, состоявшейся в 1903 году. Написал житие преподобного, выпустил второе издание «Летописи Серафимо-Дивеевского монастыря». Был одним из организаторов церемонии прославления.
С 14 февраля 1904 года — настоятель Воскресенского Ново-Иерусалимского монастыря, за короткое время реставрировал Воскресенский собор этого монастыря.
10 апреля 1905 года года в Успенском соборе Московского Кремля митрополитом Московским Владимиром (Богоявленским) и другими архиереями хиротонисан в епископа Сухумского.
С 6 февраля 1906 года — епископ Орловский и Севский. При нём в епархии были учреждены церковно-приходские советы. Распространял среди духовенства духовную литературу, проводил частые собеседования, был известен своей благотворительностью. За организацию приходской жизни в епархии награждён орденом св. Анны I степени. В 1907 стал присутствующим членом Святейшего Синода, занимался церковно-приходскими вопросами.
С 16 сентября 1908 года — епископ Кишиневский и Хотинский. 16 мая 1912 года возведён в сан архиепископа. Боролся с «иннокентьевщиной» — распространённым в епархии антицерковным движением. Выступал за сохранение «чистого молдавского языка» в богослужении, против распространения «культурного румынского языка», которому, по его мнению, обучали молдаван сепаратисты.
В 1911 г. был почетным председателем Всероссийского Съезда Русских Людей в Москве.
С 20 марта 1914 года — архиепископ Тверской и Кашинский; прибыл в Тверь 20 апреля 1914 года. В период Первой мировой войны участвовал в мероприятиях по организации помощи беженцам и по оснащению необходимыми средствами госпиталей и санитарных поездов, призывал епархиальный клир вступать в ряды военного духовенства, а приходских причетников — идти на военную службу. Собирал пожертвования для раненых воинов.
29 февраля 1916 избран членом Государственного совета от монашествующего духовенства. Входил в Правую группу, был членом комиссии по делам народного просвещения.
В 1917 году как монархист был уволен с Тверской архиерейской кафедры. Участвовал в работе Поместного Собора 1917—1918 годов в Москве.
С 17 сентября 1918 года — митрополит Варшавский и Привислинский; из-за военно-политической ситуации не смог выехать в Варшаву, жил в Черниговском скиту Троице-Сергиевой лавры.
С 1920 года — в Москве, где служил в различных храмах.
24 июня 1921 года было издано постановление судебной тройки ВЧК о его заключении в концлагерь сроком на два года по обвинению в том, что в случае предполагавшегося выезда в Польшу он намеревался «координировать — против русских трудящихся масс — за границей фронт низверженных российских помещиков и капиталистов под флагом дружины друзей Иисуса». Однако был арестован лишь 21 сентября того же года, заключён в Таганскую тюрьму. Тяжело заболел, и 16 января 1922 года был освобождён.
25 апреля 1922 года решением судебной коллегии ГПУ выслан в Архангельскую область.
В марте 1923 года выслан в Марийскую область.
16 апреля 1924 года вновь арестован по обвинению в организации прославления преподобного Серафима Саровского в 1903 году; 14 июля освобождён из-под стражи по ходатайству Патриарха Тихона, но был вынужден покинуть Москву. Жил в Воскресенском Феодоровском монастыре под городом Шуя на покое.
В 1927 году признал власть Заместителя Патриаршего Местоблюстителя — митрополита Сергия (Страгородского) и поддержал его декларацию, направленную на безоговорочное подчинение советской власти.
С 23 февраля 1928 года — митрополит Ленинградский и Гдовский. Боролся как с обновленчеством, так и с «правой» оппозицией митрополиту Сергию (Страгородскому) в лице весьма сильной в Ленинграде партией иосифлян. Первое богослужение в Ленинграде совершил 18 марта в Спасо-Преображенском соборе, где прежде был ктитором; последнее — там же 24 октября 1933 года. В его управление Ленинградской епархией в Ленинграде состоялось первое массовое закрытие крупных приходских храмов (некоторые из них тут же демонстративно снесли), в феврале 1932 были арестованы, а затем высланы практически все монашествующие. В 1931 целиком «безбожным» стал Кронштадт — все? храмы города закрыли, всё духовенство выслали. При паспортизации городского населения не получил прописку в Ленинграде и был вынужден выехать в г. Тихвин.
14 октября 1933 года уволен на покой.
В 1933—1934 годах жил в Москве: некоторое время в резиденции митрополита Сергия близ Богоявленского собора в Елохове, затем в посёлке Малаховке, снимая две комнаты у еврейской семьи. Сочинял церковную музыку, никогда не расставался с фисгармонией (уже после канонизации, в 1999 году было впервые публично исполнено его сочинение «Листки из музыкального дневника»).
Большое внимание уделял церковному пению. Хорошо рисовал, занимался иконописью. Автор образов Спасителя в белом хитоне и преподобного Серафима, молящегося на камне, находящихся в московской церкви во имя пророка Божия Илии, что в Обыденном переулке.
30 ноября 1937 года арестован, был вынесен из дома на носилках и доставлен в Таганскую тюрьму, из-за невозможности из-за тяжёлой болезни перевезти его в арестантской машине, в машине «скорой помощи». При аресте у него были изъяты рукопись второго тома «Летописи Серафимо-Дивеевского монастыря», книги, музыкальные произведения, иконы, облачения.
На допросе 3 декабря отрицал, что «обрабатывал в антисоветском духе» своих почитателей. Один из свидетелей по его делу показал, что митрополит Серафим говорил:
7 декабря 1937 года тройка УНКВД по Московской области приняла постановление о его расстреле по обвинению в «контрреволюционной монархической агитации». Расстрелян 11 декабря на полигоне НКВД в подмосковском посёлке Бутово.
В 1997 году Архиерейским собором Русской православной церкви причислен к лику святых как новомученик.
В 1993 году в Санкт-Петербурге вышел в свет двухтомник «Да будет воля Твоя», в который вошли многие труды Святителя. В 2003 году он был переиздан (в одном большом томе, с прибавлением новых материалов) в Москве.