Родился 21 июня 1958 в селе Няксимволь Березовского района Ханты-Мансийского автономного округа.
В 1980 году окончил механический факультет Костромского технологического института, в 1989 году — Всесоюзный юридический заочный институт (ВЮЗИ). Кандидат юридических наук.
С 1975 работал слесарем, бригадиром токарей, мастером Челябинского трубопрокатного завода.
1982-1984 — заведующий отделом комсомольских организаций Ленинского райкома ВЛКСМ (Челябинск).
1984-1988 — заместитель председателя Когалымского сельсовета, начальник управления жилищно-коммунального хозяйства (с 1985), секретарь Когалымского горисполкома (с 1986).
1988-1990- заместитель заведующего орготделом Ханты-Мансийского окружкома КПСС.
1990-1991 — начальник городской налоговой инспекции Когалыма.
С декабря 1991 по 1993 — глава администрации г.Когалыма.
С ноября 1993 по 1994 — первый заместитель главы администрации Ханты-Мансийского автономного округа.
6 апреля 1994 был избран председателем Думы Ханты-Мансийского автономного округа.
С января 1996 — член Совета Федерации. Член Комитета СФ по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
22 мая 1996 вошел в состав Объединенной комиссии по координации законодательной деятельности.
27 октября 1996 был избран депутатом, а затем — председателем Думы Ханты-Мансийского автономного округа второго созыва. Полномочия члена Совета Федерации подтверждены 13 ноября 1996. В мае 1997 был включен в состав Совета по местному самоуправлению в Российской Федерации.
10 июля 1998 возглавил комитет СФ по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
21 августа 1999 на съезде движения «Вся Россия» был избран членом исполкома и президиума политсовета движения.
12 июля 2000 был назначен первым заместителем полномочного представителя Президента РФ в Уральском федеральном округе Петра Латышева. Полномочия члена Совета Федерации были прекращены 27 сентября 2000.
14 января 2001 в первом туре выборов был избран губернатором Тюменской области, набрав 52,22% голосов.
27 июня 2001 был избран председателем Совета директоров ОАО «Тюменская нефтяная компания» (ТНК).
1 декабря 2001 на учредительном съезде Всероссийской партии «Единство и Отечество» был избран членом Высшего совета партии, состоящего из 18 человек.
Летом 2003 был включен в состав комиссии по федеративным отношениям под руководством Дмитрия Козака.
17 февраля 2005 Тюменская областная дума утвердила кандидатуру Собянина на пост губернатора области.
С октября 2005 — член Совета при президенте Российской Федерации по реализации приоритетных национальных проектов.
14 ноября 2005 был назначен руководителем Администрации президента РФ (вместо Дмитрия Медведева) и освобожден от обязанностей губернатора Тюменской области.
С февраля 2006 — член Комиссии по вопросам военно-технического сотрудничества Российской Федерации с иностранными государствами.
25 мая 2006 был избран председателем совета диреткоров ОАО ТВЭЛ.
С 2007 — председатель Наблюдательного совета ГК «Росатом».
20 декабря 2007 кандидат в президенты РФ Дмитрий Медведев сообщил, что его избирательный штаб возглавит Собянин.
С мая 2008 — заместитель председателя правительства РФ — глава аппарата правительства.
Распоряжением председателя правительства от 12 июня 2008 назначен руководителем правительственной комиссии по оценке результативности деятельности федеральных и региональных органов исполнительной власти.
17 февраля 2009 был избран председателем Совета директоров ОАО «Первый канал».
В феврале 2010 возглавил правительственную комиссию по всероссийской переписи населения в октябре 2010.
7 апреля 2009 на сайте правительства России были опубликованы справки о доходах его членов за 2008 год. Согласно этим данным, Собянин заработал в 2008 г. 3 млн. 472 тыс. рублей, а его жена — 21,8 тысяч рублей. В их собственности находился автомобиль «Джип чероки», квартира (118 кв.м.). Кроме того, у Собяниных, помимо личного жилья, имелась государственная квартира площадью 201 кв. м.
9 октября 2010 года вошел в список четырех кандидатов на пост мэра Москвы, предложенный президенту РФ Дмитрию Медведеву партией «Единая Россия».
15 октября 2010 года, согласно действующему законодательству, кандидатура Собянина была внесена президентом страны в Мосгордуму для наделения его полномочиями мэра Москвы.
21 октября 2010 года, Мосгордума практически единогласно утвердила Собянина Сергея Семёновича мэром г. Москва.
31 декабря 2010 года. "Дорогие москвичи! Поздравляю вас с наступающим 2011 годом! Желаю вам и вашим семьям здоровья, благополучия и никогда не забывайте, что вы граждане великой страны! В истории Москвы были и тяжелые минуты и дни триумфа. Так давайте вспомним всех тех, кто кирпичик за кирпичем создавал Москву, создавал Россию. Я уверен, что наступающий год принесет нам всем испытания, которые мы с честью пройдем. Я верю в вас дорогие мои москвичи! С новым годом, с новым счастьем!"
5 июня 2013 года Президент России Владимир Путин подписал указ об отставке Собянина по собственному желанию и назначении его исполняющим обязанности мэра до проведения досрочных выборов 8 сентября 2013 года. На досрочные выборы Сергей Собянин предпочёл идти на выборы не от партии «Единая Россия», а в статусе самовыдвиженца, в связи с чем ему пришлось не только преодолевать муниципальный фильтр (110 подписей муниципальных депутатов), но и собирать подписи 70 тысяч избирателей. В Единый день голосования, 8 сентября, выборах мэра российской столицы, Сергея Собянина поддержали 51,37% избирателей. Он стал избранным мэром Москвы.