Родился в Ливнах в семье священника (пять поколений священства). Первоначальное образование получил в ливенском ДУ (1881-1884), затем учился в орловской ДС. В 1888 г. в результате кризиса личной веры оставил семинарию и перешел в гимназию в г. Ельце. В 1890-1894 гг. Б.- студент юридического фак-та Московского ун-та, по окончании к-рого, по рекомендации проф. А. И. Чупрова, оставлен при факультете для подготовки к «профессорскому званию» (по кафедре политической экономии и статистики); с 1895 г.- преподаватель политической экономии в Московском техническом уч-ще. 1898-1900 гг.- командировка в Берлин с краткими выездами в Париж, Лондон, Женеву, Цюрих, Венецию. В Германии Б. вошел в круг герм. социал-демократов (А. Бебель, К. Каутский, Э. Бернштейн, В. Адлер и др.), в Женеве познакомился с Г. В. Плехановым. В 1901 г. Б. с семьей переехал в Киев, где был избран на должность экстраординарного профессора по кафедре политической экономии Киевского политехнического ин-та и приват-доцента Киевского ун-та св. Владимира. Деятельность Булгакова в киевский период была активной и многогранной: помимо преподавания он принимает участие в создании (1902-1903) и деятельности (с авг. 1903) «Союза освобождения». В 1906 г. Булгаков переезжает в Москву, где становится профессором политической экономии Московского коммерческого ин-та и приват-доцентом Московского ун-та. В том же году участвует в выборах во II Государственную думу как беспартийный «христианский социалист» от Орловской губернии. Однако столкновение с реальной политикой (революцией и парламентской деятельностью) принесло горечь разочарования.
Особую роль в духовной эволюции Булгакова сыграло сближение со свящ. П. Флоренским.
В 1917 г. он входит как представитель от Таврической епархии в состав специальной подкомиссии Девятого отдела Поместного Собора Православной Российской Церкви 1917-1918 гг. под председательством архиеп. Полтавского Феофана (Быстрова). Доклад Булгакова на заседании подкомиссии зачитан не был, но именно это послужило толчком к созданию «Философии имени».
Был активным участником Поместного Собора и человеком, близким к новоизбранному Патриарху Московскому и всея России свт. Тихону (Белавину) (был автором Патриаршего послания о вступлении на престол), выступил - в рамках Собора - с докладами, посвященными изменениям в отношениях между Церковью и гос-вом.10 июня еп. Волоколамский Феодор (Поздеевский) в Даниловом мон-ре в Москве совершил рукоположение Булгакова во диакона, а 11 июня в присутствии свящ. П. Флоренского, Новосёлова, Вяч. Иванова, М. О. Гершензона, Бердяева, Е. Н. Трубецкого, Рачинского, Л. И. Шестова, Глинки-Волжского и др.- во иерея. Это событие было последним значимым в московский период жизни Б.: через 2 недели он покидает Москву навсегда.
Эмиграция - самый длительный (1923-1944) и самый интеллектуально-насыщенный при всей своей внешней статичности период в жизни Б. После непродолжительных странствий (К-поль - Прага) о. Сергий занимал кафедру церковного права и богословия на юридическом фак-те Русского научного ин-та в Праге (весна 1923 - лето 1925). В июле 1925 г. Б. переезжает в Париж, где занимает в статусе профессора кафедру догматического богословия новооткрывшегося Православного богословского ин-та прп. Сергия. С 1931 г. Б.- инспектор ин-та (после митр. Вениамина (Федченкова)), с 1940 г.- его декан; в 1943 г. получил степень д-ра церковной истории honoris causa. Как общественно-церковный деятель Б. включился в процесс создания и развития Русского студенческого христианского движения .
О. Сергий скончался после тяжелой болезни. Похоронен на кладбище Сент-Женевьев-де-Буа под Парижем.