Родился 3 июня 1871 года в селе Гузи, Новгородского уезда, Новгородской губернии, в семье протоиерея Алексея Тихомирова.
В 1892 году окончил из Новгородскую духовную семинарию и поступил в Санкт-Петербургскую духовную академию.
В 1895 году пострижен в монашество с именем Сергий и рукоположен во иеромонаха.
В 1896 году окончил академию и вскоре был назначен инспектором Санкт-Петербургской духовной семинарии, а в 1899 году — возведён в сан архимандрита и определён быть её ректором.
В 1905 году удостоен степени магистра богословия и назначен ректором Санкт-Петербургской духовной академии.
6 ноября 1905 года в Александро-Невской Лавре состоялась его хиротония во епископа Ямбургского, викария Санкт-Петербургской епархии. Владыка скоро стал известен как талантливый проповедник и богослов, плодовитый духовный писатель и церковный историк.
После того как епископ Андроник (Никольский) был вынужден отказаться от поста помощника начальника Российской Духовной Миссии в Японии, святителя Николая (Касаткина), Святейший Синод избрал епископа Сергия для этого служения. 21 марта 1908 года владыка был назначен епископом Киотским, викарием Токийской кафедры, и прибыл в Токио в июне 1908 года.
Владыка Сергий выразил перед святителем Николаем свою решимость отдать себя служению Миссии. Епископ имел способность к языкам — он уже владел греческим, латинским, древнееврейским, английским, французским и немецким, — и быстро осваивал японский во время ознакомительных поездок по Японии.
Поездки епископа Сергия на Южный Сахалин, аннексированный Японией после поражения России в Русско-Японской войне 1904—1905 года, сыграли важную роль в возвращении православных храмов, конфискованых японскими войсками, местным верующим.
В качестве представителя Японской Миссии епископ Сергий принял участие в Миссионерском Съезде Русской Православной Церкви который проходил в Иркутске с 5 по 18 августа 1910 года, после чего провел четыре месяца в поездках по России.
После кончины Архиепископа Николая 3 февраля 1912 года, епископ Сергий принял на себя руководство Миссией — с 19 мая 1912 года он становится епископом Токийским и Японским.
В 1917 году Японская Миссия потеряла финансовую поддержку из России. Епископ Сергий неоднократно предпринимал поездки по Дальнему Восток для сбора средств среди Белого движения и позже белой эмиграции на поддержание Миссии.
1 мая 1921 года возведён в сан архиепископа.
В ведение владыки Сергия перешла Русская Духовная Миссия в Корее.
После того как Великое Кантосское землетрясение 1 сентября 1923 года и последовавшие за ним пожары сильно повредили Токийский Воскресенский собор и уничтожили большую часть зданий Миссийской штаб-квартиры в квартале Суругадай, Токио, Архиепископ Сергий предпринял множество поездок по Японии и Дальнему Востоку усердно взывая к помощи и вдохновляя верующих на жертвенное служение церкви. В результате его трудов молодая Японская Церковь смогла восстановить Токийский собор уже в 1929 году.
После издания «Декларацию» заместителя патриаршего местоблюстителя митрополита Сергия (Страгородского) 1927 года в отличие от большинства зарубежных архиереев, перешедших в РПЦЗ, остался приверженцем Московской Патриархии.
2 апреля 1931 года возведён в сан митрополита.
4 сентября 1940 года митрополит Сергий под дпавлением японских властей, запретивших неяпонцам возглавлять религиозные организации, вынужден был уйти на покой, передав временное управление делами Церкви мирянину Арсению Ивасава, пользовавшемуся доверием военных кругов Японии.
Поселился в небольшой квартире в пригороде Токио где продолжал совершать службы для горстки верующих.
В мае 1945 года арестован по подозрению в шпионаже в пользу СССР. Через 40 дней был отпущен на свободу, однако его здоровье было окончательно подорвано.
10 августа 1945 года он скончался. Похоронен в Токио на кладбище Янака рядом с архиепископом Николаем (Касаткиным).