Родился 21 июня 1958 года в селе Няксимволь Березовского района Тюменской области.
В 1980 году окончил Костромской технологический институт, в 1989 году ‒ Всесоюзный юридический заочный институт. Является кандидатом юридических наук.
Трудовую деятельность начал в 1980 году. Работал слесарем, затем мастером Челябинского трубопрокатного завода.
В 1982 — 1984 годах ‒ заведующий орготделом Ленинского райкома ВЛКСМ Челябинска.
С 1984 года по 1990 год Сергей Собянин был на руководящей партийной и советской работе в Ханты-Мансийском автономном округе Тюменской области.
В 1990 — 1991 годах ‒ начальник государственной налоговой инспекции в городе Когалыме Ханты-Мансийского автономного округа.
С 1991 года по 1993 год был главой администрации города Когалыма.
В 1993 — 1994 годах Собянин работал первым заместителем главы администрации Ханты-Мансийского автономного округа.
С 1994 года ‒ председатель думы Ханты-Мансийского автономного округа, член Совета Федерации Федерального Собрания РФ, председатель комитета Совета Федерации по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
В 2000-2001 годах Собянин был первым заместителем полномочного представителя президента РФ в Уральском федеральном округе.
С 2001 года по 2005 год являлся губернатором Тюменской области.
С ноября 2005 года ‒ руководитель администрации президента РФ.
С 12 мая 2008 года Сергей Собянин был заместителем председателя правительства РФ ‒ руководителем аппарата правительства РФ.
21 октября 2010 года по представлению президента РФ Дмитрия Медведева был наделен Московской городской думой полномочиями мэра Москвы на пять лет.
4 июня 2013 года Собянин заявил, что намерен обратиться к президенту с прошением об отставке ‒ для проведения прямых выборов мэра в сентябре.
5 июня президент России Владимир Путин принял отставку Собянина и подписал указ о назначении его временно исполняющим обязанности мэра столицы до вступления в должность лица, избранного мэром Москвы.
17 июня Собянин подал документы в Мосгоризбирком для участия в выборах столичного мэра. Участвовал в выборах в качестве самовыдвиженца.
8 сентября 2013 года избран мэром Москвы, набрав 51,37% голосов. Вступил в должность 12 сентября 2013 года.
Сергей Собянин награжден орденом Почета (2003), медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени (1999), медалью Столыпина I степени (2010).
Удостоен церковных наград: ордена святого благоверного князя Даниила Московского II степени (2014) и ордена святого благоверного князя Даниила Московского I степени (2017). Также Собянину была вручена премия Международного фонда единства православных народов «За выдающуюся деятельность по укреплению единства православных народов» (2017).
У Сергея Собянина две дочери.