Протоиерей. Причислен к лику святых Русской православной церкви в 2000.
Был четвёртым ребёнком в семье протоиерея Алексия Мечёва (с 1893 — настоятеля церкви святителя Николая в Кленниках). Мать — Анна Петровна (умерла в 1902).
Супруга — Евфросиния Николаевна Шафоростова (1890—1959), происходила из купеческой семьи.
Окончил 3-ю Московскую гимназию с серебряной медалью (1910), учился на медицинском факультете Московского университета, окончил историко-филологический факультет Московского университета. Изучал древнерусскую литературу под руководством академика М. Н. Сперанского, называвшего Сергея Мечёва одним из лучших своих учеников. В 1913 посетил Италию и Швейцарию, знакомился с классическими образцами западноевропейского искусства. Был серьёзным знатоком русской иконы. Ещё в университете серьёзно интересовался проблемами духовничества — его истории и практики.
В 1914—1916 добровольно служил санитаром и братом милосердия в прифронтовой зоне во втором подвижном лазарете Красного Креста Московского купеческого и биржевого общества. В 1917 недолго служил на фронте вольноопределяющимся.
В 1918 участвовал в работе делегации Высшего Церковного Управления (ВЦУ) для защиты пред правительством имущественных и иных прав Православной церкви. В этот период познакомился с Патриархом Тихоном. Недолго работал в Наркомпросе.
Весной 1919 рукоположен во диакона, 17 апреля 1919 — во иерея (епископом Феодором (Поздеевским)). В 1919—1929 служил в храме святителя Николая в Кленниках на Маросейке. Вместе с отцом проводил религиозные беседы в храме и на частных квартирах прихожан. Был ярким проповедником, прекрасно знал творения Святых отцов.
В 1923, после смерти отца, стал настоятелем храма и главой маросейской общины, в которую входили многие представители гуманитарной интеллигенции. Принял настоятельство по благословению оптинского старца Нектария. В том же году недолго находился в тюрьме за непризнание обновленческого движения.
При нём в маросейской общине получило развитие движение духовных семей — групп членов общины, которые часто встречались, вместе читали святоотеческую литературу и молились. Участники «семей» помогали друг другу в период гонений на церковь. Пользовался большой любовью прихожан, которые оставили о нём воспоминания: «Служба, совершаемая отцом Сергием, была исключительной. Голос его пел, и в этом пении изливалась его душа перед Богом. Хор следовал за ним в воодушевленной молитве. Души молящихся присоединялись к хору, и общая молитва восходила к небу, как светлый столп». Его ближайшими соратниками были Борис Холчев (ставший диаконом, а затем священником в храме св. Николая) и Сергей Никитин, председатель приходского совета, в 30-е годы тайный священник, с 1960 — епископ Стефан.
В 1927 отказался поддержать Декларацию митрополита Сергия (Страгородского), предусматривавшую далеко идущие компромиссы с советской властью.
29 октября 1929 арестован вместе с двумя другими священниками и несколькими прихожанами храма на Маросейке. Обвинён в создании антисоветской группы, выслан в Северный край. Ссылку отбывал в Архангельске и Кадникове. В ссылке вёл переписку и встречался с приезжавшими к нему духовными детьми. 7 марта 1933 арестован в ссылке по обвинению в антисоветской агитации, заключён в вологодскую тюрьму. 1 июля 1933 приговорён к пяти годам лишения свободы, в основном работал на разгрузке леса на лесопильном заводе, недолго был фельдшером.
Летом 1937 освобождён за «ударный труд». Жил нелегально на станции Сходня Московской области, затем работал в поликлинике города Калинина (ныне Тверь), жил недалеко от города. Продолжал поддерживать контакт со своими духовными детьми, в 1938 пригласил епископа Мануила (Лемешевского) для тайного рукоположения нескольких из них в священники. По существующей версии, основанной на документах следствия, в 1939 епископ Мануил после своего ареста дал показания, назвав имена членов общины. Почитатели владыки Мануила считают эти данные недостоверными, однако они стали препятствием для канонизации этого архиерея.
Был вынужден покинуть Калининскую область, продолжил «катакомбную» деятельность. В начале 1940 переехал в Рыбинск, где работал фельдшером в поликлинике, затем жил в деревне Мишаки под городом Тутаевом. Каждый день тайно служил литургию.
После начала войны, 7 июля 1941, был арестован и заключён в Ярославскую тюрьму. Обвинён в том, что «ведёт работу по созданию подпольных т. н. „катакомбных церквей“, насаждает тайное монашество по типу иезуитских орденов и на этой основе организует антисоветские элементы для активной борьбы с Советской властью». Приговорён к расстрелу военным трибуналом войск НКВД Ярославской области 22 ноября 1941. Расстрелян 6 января 1942.
В августе 2000 Юбилейный Архиерейский собор Русской православной церкви прославил его в сонме Новомучеников и Исповедников Российских. Тогда же был канонизирован его отец Алексий Мечёв. Они особо почитаются в храме св. Николая в Кленниках, где есть придел во имя святого праведного Алексия и священномученика Сергия Мечёвых.