Митрополит Сергий (Сергей Васильевич Петров) родился 5 октября 1924 года в городе Краснодаре в православной семье. Отец — Василий Илларионович, рабочий, умер в 1934 году. Мать — Ольга Ивановна, после смерти супруга в 1935 году приняла монашеский постриг с именем Феодоры (схимонахиня Серафима; † 1983).

Сергей Петров окончил в 1942 году среднюю школу в городе Краснодаре. Первоначальное религиозное воспитание получил в семье под руководством матери. С детства прислуживал при храме, затем был пономарем, чтецом и иподиаконом при нескольких архиереях в городе Краснодаре. В 1943 году, когда Краснодарская епархия временно окормлялась епископом Ростовским и Таганрогским Иосифом (Черновым; † 1975), 15 апреля им был пострижен в монашество без перемены имени (в честь преподобного Сергия Радонежского), а 16 апреля того же года рукоположен во иеродиакона. 1 июня 1944 года преосвященным епископом Краснодарским и Кубанским Фотием (Топиро; † 1952) назначен вторым диаконом Екатерининского кафедрального собора города Краснодара. Указом епископа Краснодарского и Кубанского Флавиана (Иванова; † 1958) от 15 февраля 1945 года утвержден вторым диаконом Екатерининского кафедрального собора города Краснодара. Одновременно состоял техническим сотрудником канцелярии епископа Флавиана.

В связи с поступлением в 1946 году в Московскую Духовную Семинарию епископом Краснодарским и Кубанским Флавианом был уволен из списков духовенства Краснодарской епархии.

В 1947 году завершил курс обучения в Московской Духовной Семинарии и перешел в ту же Духовную Академию, которую закончил в 1951 году со степенью кандидата богословия — магистранта.

24 июня 1951 года архиепископом Можайским, викарием Московской епархии Макарием (Даевым; † 1960) рукоположен в иеромонаха ко Всехсвятскому храму города Москвы.

Постановлением Учебного комитета при Священном Синоде от 22 августа 1951 года переведен в Саратовскую Духовную Семинарию для преподавания литургики, гомилетики и практического руководства для пастырей. Одновременно исполнял обязанности помощника инспектора Саратовской Семинарии. 29 июня 1952 года освобожден от должности преподавателя и направлен в распоряжение епископа Орловского и Брянского Флавиана (Иванова), указом которого 16 августа 1952 года назначен третьим священником Вознесенского собора города Ельца Орловской области. После образования Липецкой области и вхождения города Ельца в Воронежско-Липецкую епархию указом архиепископа Воронежского и Липецкого Иосифа (Орехова) от 16 июля 1954 года назначен временно исполняющим обязанности настоятеля Вознесенского собора города Ельца и благочинного Елецкого округа. Указом того же преосвященного от 13 ноября 1954 года утвержден настоятелем собора, а указом от 17 января 1955 года — благочинным церквей Елецкого округа. Ко дню Святой Пасхи 1955 года Патриархом Московским и всея Руси Алексием (Симанским; †1970) награжден наперсным крестом. 13 января 1956 года преосвященным Иосифом за труды по восстановлению Вознесенского собора города Ельца награжден «Благословенной грамотой». По представлению того же преосвященного за труды по возобновлению Вознесенского собора города Ельца награжден Патриаршей грамотой.

Постановлением Учебного комитета от 10 марта 1958 года назначен помощником инспектора Одесской Духовной Семинарии. Ввиду назначения в Одесскую Духовную Семинарию освобожден от должности настоятеля Вознесенского собора города Ельца и благочинного церквей Елецкого округа. В акте передачи дел настоятельства по Вознесенскому собору члены церковного совета, ревизионной комиссии и церковной «двадцатки» выразили благодарность и признательность, как они отметили, за ревностные труды по благоустройству величественного собора, за заботу о причте, обслуживающем церковь персонале и за пастырскую заботу о всех верующих прихожанах Вознесенского собора.

Резолюцией Патриарха Алексия от 7 июля 1958 года, по представлению архиепископа Херсонского и Одесского Бориса (Вика; †1965), назначен инспектором Одесской Духовной Семинарии с возведением в сан игумена и возложением палицы. В течение 1958-1959 учебного года преподавал общую историю христианской церкви, а 26 мая 1959 года назначен ректором Одесской Семинарии с возведением в сан архимандрита.

Указом того же преосвященного от 19 мая 1959 года, согласно занимаемой должности ректора, назначен настоятелем Свято-Пантелеимоновской (семинарской) церкви города Одессы.

12 марта 1960 года в академическом храме Троице-Сергиевой Лавры было совершено наречение архимандрита Сергия (Петрова) во епископа Белгород-Днестровского, викария Херсоно-Одесской епархии. Чин наречения совершали: митрополит Херсонский и Одесский Борис, епископ Оренбургский и Бузулукский Михаил (Воскресенский), епископ Новгородский и Старорусский Сергий (Голубцов) и епископ Дмитровский, викарий Московской епархии (впоследствии — Патриарх Московский и всея Руси) Пимен (Извеков).

Архимандрит Сергий был хиротонисан во епископа Белгород-Днестровского 13 марта 1960 года за Божественной литургией в Трапезном храме Троице-Сергиевой Лавры архиереями, участвовавшими в наречении.

Во время пребывания митрополита Бориса в Американском Экзархате (март-сентябрь 1960 года) епископ Сергий управлял Херсоно-Одесской и Луганско-Донецкой епархиями.

С 28 августа 1960 года член Комиссии по межхристианским связям Русской Православной Церкви. 14 января 1961 года, ввиду кончины митрополита Иосифа (Орехова), было поручено временное управление Воронежской епархией.

Постановлением Святейшего Патриарха и Священного Синода от 16 марта 1961 года определено быть епископом Воронежским и Липецким, с освобождением от должности ректора Одесской Духовной Семинарии. По распоряжению Патриарха Алексия, ввиду кончины архиепископа Ростовского и Новочеркасского Никандра (Викторова; †1961), с 22 августа 1961 года по 20 января 1962 года временно управлял Ростовской-на-Дону епархией.

На летне-зимних сессиях 1962 года был членом Священного Синода Русской Православной Церкви.

В дни прохождения Всемирного конгресса за всеобщее разоружение и мир (июль 1962 года) сопровождал делегацию Болгарской церкви, возглавляемую Патриархом Болгарским Кириллом.

Как член Комиссии межхристианских связей участвовал на приемах и собеседованиях с предстоятелем Англиканской Церкви архиепископом Кентерберийским, примасом Англии Михаилом Рамзеем и сопровождавшими его деятелями Англиканской Церкви во время их визита с 31 июля по 3 августа 1962 года.

9 октября 1963 года перемещен на Минскую и Белорусскую кафедру с возведением в сан архиепископа и правом ношения креста на клобуке. 17 октября 1963 года назначен членом Комиссии Священного Синода по вопросам христианского единства. В апреле-мае 1964 года — временно управляющий Воронежской епархией.

Постановлением Святейшего Патриарха и Священного Синода от 25 мая 1965 года определено быть архиепископом Херсонским и Одесским, управляющим Луганско-Донецкой епархией.

Митрополит Сергий большое внимание уделял деятельности подворья Александрийской Православной Церкви в Одессе. Владыка Сергий принимал участие в работе многих международных богословских и миротворческих форумов и конференций: «Религиозные деятели за прочный мир, разоружение и справедливые отношения между народами» (1977) и «Религиозные деятели за спасение священного дара жизни от ядерной катастрофы» (1982). В 1985 году возглавлял делегацию Русской Православной Церкви на Всемирной межрелигиозной ассамблее в Бухаресте (Румыния).

В 1987 году участвовал в работе Международного форума «За безъядерный мир, за выживание человечества», проходившего в Москве. В 1988 году митрополит Сергий возглавлял религиозную группу делегации Советского комитета защиты мира на встрече граждан СССР и США, проходившей во время переговоров на высшем уровне в США.

Владыка Сергий во главе или в составе делегаций Русской Православной Церкви посетил многие христианские Церкви и миротворческие организации в различных странах Европы, Азии, Америки, Австралии, Африки. Последний визит в декабре 1989 года митрополита Сергия за границу был связан с освящением храма Покрова Пресвятой Богородицы прихода Московского Патриархата в городе Сиднее (Австралия).

В 1971 году архиепископ Сергий участвовал в работе Поместного Собора Русской Православной Церкви, за труды по подготовке которого был возведен в сан митрополита 8 июня 1971 года.

С июля 1986 по декабрь 1987 года — управляющий делами Московской Патриархии, постоянный член Священного Синода. В этот особо знаменательный для Русской Православной Церкви период он состоял первым заместителем председателя Синодальной комиссии по подготовке и проведению празднования 1000-летия Крещения Руси и председателем Ответственной комиссии по реставрации и строительству в Свято-Даниловом монастыре. За активную миротворческую деятельность и в связи с 1000-летием Крещения Руси митрополит Сергий удостоен ордена Дружбы народов.

В 1988 году владыка Сергий принимал активное участие в проведении празднования 1000-летия Крещения Руси в Москве и в посвященном юбилею Поместном Соборе Русской Православной Церкви в Троице-Сергиевой Лавре. Затем участвовал в юбилейных торжествах в Киеве и позднее провел их в управляемых им епархиях. В октябре 1989 года митрополит Сергий участвовал в праздновании в Москве 400-летия установления Патриаршества в Русской Православной Церкви и в Архиерейском Соборе, состоявшемся в Свято-Даниловом монастыре.

Последним общецерковным деянием, в котором участвовал митрополит Сергий, был Архиерейский Собор Русской Православной Церкви, проходивший 30-31 января 1990 года в Свято-Даниловом монастыре. Всегда остро сознаваемое чувство ответственности побудило Владыку прибыть на Собор, несмотря на начавшееся уже тяжелое недомогание.

Почти четверть века митрополит Сергий отдал служению в Одесской и Ворошиловоградской епархиях. В годы перестройки им была возглавлена работа по открытию новых и возрождению старых приходов, возвращению исторической резиденции святителей Одесских и Херсонских с храмом во имя святых мучеников Адриана и Наталии.

Митрополит Сергий был удостоен высших наград Русской Православной Церкви — орденов святого равноапостольного князя Владимира I и II степеней, преподобного Сергия Радонежского I степени, а также награжден орденами и медалями Александрийской, Антиохийской, Иерусалимской, Болгарской, Чехословацкой, Синайской и других Православных Церквей.

4 февраля 1990 года митрополит Сергий скончался в Одессе. Чин отпевания совершили: митрополиты Симферопольский и Крымский Леонтий (Гудимов; †1992); Винницкий и Брацлавский (ныне — Одесский и Измаильский) Агафангел (Саввин), епископы: Славянский, викарий Одесской епархии, (ныне — митрополит Луганский и Старобельский) Иоанникий (Кобзев), Переяслав-Хмельницкий, викарий Киевской епархии (ныне — архиепископ Тульчинский и Брацлавский) Ионафан (Елецких), Кишиневский и Молдавский (ныне — митрополит Кишиневский и всея Молдавии) Владимир (Кантарян) в сослужении настоятеля подворья Александрийской Церкви в Одессе архимандрита Феодора, брата покойного Владыки — московского клирика протоиерея Николая Петрова, секретаря Одесского епархиального управления протоиерея Симеона Божка, ректора Одесской Духовной Семинарии протоиерея Александра Кравченко, благочинных и клириков Одесской и Ворошиловградской епархий. Погребен владыка Сергий по своему завещанию на монастырском кладбище города Одессы рядом с могилой матери.