Родился 21 июня 1958 г. в с. Няксимволь Березовского района Ханты-Мансийского национального округа Тюменской области (ныне Ханты-Мансийский автономный округ - Югра, ХМАО).
В 1980 г. окончил механический факультет Костромского технологического института (ныне Костромской государственный университет), в 1989 г. - ульяновский филиал Всесоюзного юридического заочного института (ныне Московский государственный юридический университет им. О. Е. Кутафина).
Кандидат юридических наук. В 1999 г. в Институте законодательства и сравнительного правоведения при правительстве РФ защитил диссертацию на тему "Правовое положение автономных округов как субъектов Российской Федерации".
С 1980 по 1982 г. работал слесарем, бригадиром, мастером участка на Челябинском трубопрокатном заводе, одновременно был комсоргом цеха.
В 1982-1984 гг. - заведующий отделом комсомольских организаций Ленинского районного комитета ВЛКСМ Челябинска.
В 1984 г. вернулся в Ханты-Мансийский округ, в пос. Когалым (с 1985 г. - город).
С 1984 г. был заместителем председателя Когалымского сельского совета народных депутатов, с 1985 г. - начальником управления жилищно-коммунального хозяйства г. Когалыма.
В 1986-1988 гг. - секретарь городского исполнительного комитета Совета народных депутатов г. Когалыма.
С 1988 по 1990 г. занимал должность заместителя заведующего организационным отделом Ханты-Мансийского окружного комитета КПСС.
В 1990-1991 гг. - начальник государственной налоговой инспекции Когалыма.
В 1991 г. был назначен главой администрации Когалыма.
В 1993-1994 гг. работал первым заместителем главы администрации Ханты-Мансийского автономного округа.
С апреля 1994 г. по июль 2000 г. занимал должность председателя Думы Ханты-Мансийского автономного округа I и II созывов. Впервые был избран депутатом окружного парламента 6 марта 1994 г., переизбирался 27 октября 1996 г.
С января 1996 г. по сентябрь 2000 г. являлся членом Совета Федерации РФ (сенатором) по должности как председатель парламента ХМАО. С 1996 г. - заместитель председателя, с ноября 1998 г. - председатель комитета Совфеда по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
В 1997-2004 гг. входил в Совет при президенте РФ по местному самоуправлению.
С апреля 1999 г. был членом руководства блока, затем движения "Вся Россия" (в августе 1999 г. вошло в избирательный блок "Отечество - Вся Россия"; с 2001 г. - партия "Единство и Отечество" - Единая Россия", с 2003 г. - "Единая Россия").
В начале 2000 г. вошел в инициативную группу по выдвижению Владимира Путина на пост президента России.
С 11 июля 2000 г. по 15 февраля 2001 г. - первый заместитель полномочного представителя президента РФ в Уральском федеральном округе Петра Латышева.
В 2001-2005 гг. – губернатор Тюменской области. Избран 14 января 2001 г., получив 52,78% голосов (был выдвинут группой избирателей). Его ближайший соперник, действующий глава области Леонид Рокецкий, набрал 28,90%. 26 января того же года Сергей Собянин официально вступил в должность.
С 2004 г. - член высшего совета, с ноября 2010 г. - член бюро высшего совета Всероссийской политической партии "Единая Россия". В 2011-2012 гг. занимал пост секретаря политического совета московского регионального отделения партии.
17 февраля 2005 г. депутаты Тюменской областной думы наделили Сергея Собянина полномочиями губернатора Тюменской области по представлению президента РФ Владимира Путина. Инаугурация состоялась 24 февраля того же года.
С 14 ноября 2005 г. по 7 мая 2008 г. - руководитель Администрации президента РФ Владимира Путина.
В 2005–2010 гг. являлся постоянным членом Совета безопасности РФ.
В январе - марте 2008 г. возглавлял предвыборный штаб кандидата в президенты РФ Дмитрия Медведева.
С 12 мая 2008 г. по 21 октября 2010 г. - заместитель председателя правительства РФ Владимира Путина, руководитель Аппарата правительства РФ.
Занимал пост председателя совета директоров "Первого канала" (2009-2011).
С 2010 г. – мэр Москвы.
21 октября 2010 г. был утвержден на посту мэра столицы Московской городской думой по представлению президента РФ Дмитрия Медведева (кандидатура Сергея Собянина в числе других претендентов была предложена главе государства партией "Единая Россия"). В тот же день состоялась инаугурация. На посту руководителя города Собянин сменил Юрия Лужкова, отправленного в отставку в связи с утратой доверия президента РФ.
5 июня 2013 г. Сергей Собянин обратился к президенту РФ Владимиру Путину с просьбой о досрочной отставке с целью участия в прямых выборах мэра Москвы, назначенных на сентябрь 2013 г. В тот же день указом главы государства был назначен врио руководителя города.
8 сентября 2013 г. победил на выборах мэра Москвы, получив в свою поддержку 51,37% голосов избирателей (баллотировался в порядке самовыдвижения). Его ближайший соперник, оппозиционный кандидат от "РПР - Парнас" Алексей Навальный набрал 27,24%. 12 сентября того же года Сергей Собянин вступил в должность.
9 сентября 2018 г. вновь был избран мэром Москвы. За него проголосовали 70,17% избирателей (в выборах участвовал в качестве самовыдвиженца). Второе место занял бывший депутат Госдумы, кандидат от КПРФ Вадим Кумин (11,38%). Инаугурация Сергея Собянина состоялась 18 сентября 2018 г.
10 сентября 2023 г. победил на выборах мэра Москвы с результатом 76,39% (баллотировался от партии "Единая Россия"). Вторым стал председатель комиссии Мосгордумы по науке и промышленности и заместитель руководителя фракции КПРФ, внук лидера КПРФ Геннадия Зюганова Леонид Зюганов (от КПРФ), набравший 8,11% голосов. 18 сентября того же года Сергей Собянин вступил в должность.
Член Совета безопасности РФ (с ноября 2010 г.).
Входит в состав президиума Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам (с июля 2018 г.).
Первый заместитель председателя правительственной комиссии по повышению устойчивости развития российской экономики в условиях санкций (с февраля 2022 г.).
Член президиума Государственного совета РФ. Председатель комиссии Госсовета РФ по направлению "Государственное и муниципальное управление" (с декабря 2020 г.). Руководитель рабочей группы Государственного совета РФ по противодействию распространению новой коронавирусной инфекции (с марта 2020 г.).
Первый заместитель председателя Координационного совета при правительстве РФ по борьбе с распространением новой коронавирусной инфекции на территории РФ (с марта 2020 г.).
Член наблюдательных советов Агентства стратегических инициатив (с ноября 2019 г.) и Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (с ноября 2020 г.).
Награжден орденами Почета (2003), "За заслуги перед Отечеством" I степени (2023), медалью ордена "За заслуги перед Отечеством" II степени (1999), медалью П. А. Столыпина I степени (2010).
Удостоен ордена Святого благоверного князя Даниила Московского I, II и III степеней (2017, 2014, 2018).
Почетный гражданин Тюмени (2005).
Лауреат премии "Юрист года" в номинации "За защиту социальных и трудовых прав граждан" (2023).
Один из авторов, член редколлегии сборников "Субъект Российской Федерации. Правовое положение и полномочия" (1998), "Договорные принципы и формы федеративных отношений в России" (1999), автор книги "Субъект Российской Федерации в экономическом и социальном развитии государства: компетенция органов власти и методы ее реализации" (2007).