Родился 21 июня 1958 г. в с. Няксимволь Березовского района Ханты-Мансийского национального округа Тюменской области (ныне — Ханты-Мансийский автономный округ — Югра, ХМАО). Отец — Семен Федорович, был председателем сельсовета. Мать — Антонина Александровна, работала бухгалтером. В 1967 г. семья переехала в пос. Березово, где отцу Сергея Собянина предложили должность директора маслозавода.
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 Всесоюзного ленинского коммунистического союза молодежи (ВЛКСМ) Челябинска.
В 1984 г. вернулся в Ханты-Мансийский округ, в пос. Когалым.
С 1984 г. был заместителем председателя Когалымского сельского совета народных депутатов, с 1985 г. — начальником управления жилищно-коммунального хозяйства г. Когалыма (в 1985 г. Когалым получил статус города).
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 Коммунистической партии Советского Союза (КПСС).
В 1990–1991 гг. — начальник государственной налоговой инспекции Когалыма.
В 1991 г. глава администрации Ханты-Мансийского автономного округа Александр Филипенко назначил Сергея Собянина главой администрации Когалыма.
В 1993–1994 гг. работал первым заместителем главы администрации Ханты-Мансийского автономного округа Александра Филипенко.
С апреля 1994 г. по июль 2000 г. занимал должность председателя Думы Ханты-Мансийского автономного округа I и II созывов. Впервые был избран депутатом 6 марта 1994 г., переизбран в парламент нового созыва 27 октября 1996 г. по территориальному округу №9, где набрал 79,6% голосов избирателей.
С января 1996 г. по сентябрь 2000 г. являлся членом Совета Федерации Федерального собрания РФ по должности, как представитель законодательного органа ХМАО. С 1996 г. — заместитель председателя, а с ноября 1998 г. — председатель комитета по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
В 1996 г. Сергей Собянин обратился в Конституционный суд РФ с целью добиться независимости Ханты-Мансийского округа от Тюменской области. Однако суд подтвердил действующий статус региона.
С мая 1999 г. — член президиума политсовета блока «Вся Россия» (лидеры — Минтимер Шаймиев, Муртаза Рахимов, Владимир Яковлев).
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. был первым заместителем 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%.
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 «Единой России».
17 февраля 2005 г. депутаты Тюменской областной думы наделили Сергея Собянина полномочиями губернатора Тюменской области по представлению президента РФ Владимира Путина.
С 14 ноября 2005 г. по 7 мая 2008 г. занимал пост руководителя Администрации президента РФ. Сменил на этом посту Дмитрия Медведева.
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 — руководитель Аппарата правительства РФ. Сменил в должности Сергея Нарышкина.
С 2010 г. – мэр Москвы. 21 октября 2010 г. Московская городская дума утвердила его в этой должности по представлению президента РФ Дмитрия Медведева. Сменил Юрия Лужкова, отправленного в отставку в связи с утратой доверия главы государства. В тот же день Сергей Собянин официально вступил в должность.
С 7 ноября 2010 г. – член Совета безопасности РФ (ранее глава столицы никогда не входил в состав Совбеза РФ).
4 декабря 2011 г. на выборах депутатов Госдумы РФ VI созыва возглавлял московский региональный список «Единой России». После выборов отказался от депутатского мандата.
5 июня 2013 г. президент РФ Владимир Путин принял отставку мэра Москвы Сергея Собянина и назначил его временно исполняющим обязанности главы города.
8 сентября 2013 г. избран мэром Москвы, получив 51,37% голосов избирателей. Баллотировался в качестве самовыдвиженца. Его ближайший соперник, кандидат от Республиканской партии России – Партии народной свободы (РПР-ПАРНАС) Алексей Навальный, набрал 27,24%. 12 сентября 2013 г. Сергей Собянин вступил в должность.
9 сентября 2018 г., в единый день голосования, избран мэром Москвы. За него проголосовали 70,17% избирателей (баллотировался в порядке самовыдвижения). Второе место занял бывший депутат Госдумы, председатель автономной некоммерческой организации «Интернет-Пресса» Вадим Кумин от КПРФ — 11,38%. Инаугурация Сергея Собянина состоялась 18 сентября того же года.
Входил в Совет при президенте РФ по местному самоуправлению (1997-2004).
Занимал пост председателя совета директоров «Первого канала» (2009-2011).
Член президиума Совета при президенте РФ по стратегическому развитию и национальным проектам (с июля 2018 г.).
С ноября 2019 г. — член наблюдательного совета Агентства стратегических инициатив (АСИ).
С 5 марта 2020 г. входит в состав комиссии правительства РФ по повышению устойчивости развития российской экономики.
С 15 марта 2020 г. — руководитель рабочей группы Государственного совета РФ по противодействию распространению новой коронавирусной инфекции.
С 16 марта 2020 г. — первый заместитель председателя Координационного совета при правительстве РФ по борьбе с распространением новой
коронавирусной инфекции на территории РФ.
Общая сумма декларированного дохода за 2015 г. составила 6 млн 481 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2016 г. составила 6 млн 456 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2017 г. составила 6 млн 531 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2018 г. составила 7 млн 621 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2019 г. составила 8 млн 228 тыс. руб.
Награжден орденом Почета (2003), медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени (1999), медалью П. А. Столыпина I степени (2010).
Почетный гражданин Тюмени (2005).
Награжден орденами Святого благоверного князя Даниила Московского II степени (2014), французским орденом Сельскохозяйственных заслуг (2003).
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).
Имеет двух дочерей.
Увлекается охотой и рыбной ловлей.