21 сентября 1894 года возведен в сан архимандрита и назначен настоятелем Русской посольской церкви в Афинах.
Удостоен степени магистра богословия за диссертацию «Православное учение о спасении».
В 1897 снова назначен в Японию помощником начальника Православной духовной миссии, но, по свидетельству митрополита Евлогия Георгиевского, «не выдержал сурового режима и должен был вернуться в Россию».
29 июля 1899 года о. Сергий определен ректором Петербургской духовной семинарии, а 6 октября того же года назначен инспектором Петербургской духовной академии. С 21 января 1901 года – ректор той же Духовной Академии.
25 февраля 1901 года хиротонисан во епископа Ямбургского, викария Санкт-Петербургской епархии. Чин хиротонии совершили: митрополит Санкт-Петербургский Антоний (Вадковский), митрополит Киевский Феогност (Лебедев), митрополит Московский Владимир (Богоявленский), архиепископ Холмский и Варшавский Иероним (Экземплярский), епископ Кишиневский Иаков (Пятницкий), епископ Борис (Плотников), епископ Гдовский Вениамин (Муратовский), епископ Нарвский Никон (Софийский) и епископ Сарапульский Владимир (Благоразумов).
В ноябре 1901 – апреле 1903 годов вел религиозно-философские собрания представителей духовенства и общественности, созданные по инициативе ряда деятелей творческой интеллигенции для обсуждения проблем взаимоотношения Церкви, интеллигенции и государства; свободы совести; Церкви и брака; христианской догматики и многих других. После 22 заседаний собрания были прекращены по личному распоряжению обер-прокурора Синода К.П. Победоносцева.
6 октября 1905 года Николай II утвердил доклад Святейшего синода «О бытии Преосвященному Ямбургскому Сергию архиепископом Финляндским и Выборгским».
В 1906 году участвовал в сессии Святейшего синода, председательствовал в Учебном комитете, стал Почетным членом Петербургской духовной академии.
В 1907 году возглавил созданную Святейшим синодом Комиссию по исправлению богослужебных книг, которая успела издать новую редакцию Постной и Цветной Триоди, подготовить новую редакцию Октоиха, Праздничной и сентябрьской Минеи. Новая редакция литургических книг устраняла отдельные грецизированные синтаксические конструкции и слова, но не получила достаточно широкого распространения вследствие задержки распространения и последовавших политических событий.
С 6 мая 1911 года – о. Сергий становится членом Святейшего синода.
1 марта 1912 года Высочайше утвержден председателем новоучрежденного Предсоборного совещания при Святейшем синоде.
6 мая 1912 года награжден бриллиантовым крестом для ношения на клобуке.
4 апреля 1913 года назначен Председателем Миссионерского Совета при Святейшем синоде.
14 января 1915 года, по просьбе, освобожден от должности Председателя Миссионерского Совета.
Был единственным членом Святейшего синода, оставленным Н.В. Львовым после роспуска старого состава 14 апреля 1917, «хотя обещал братьям-епископам, что в новый состав Св. Синода, образованного Львовым, не пойдет».
Определением Святейшего синода от 10 августа 1917 года за № 4961, после избрания клиром и мирянами епархии, утвержден архиепископом Владимирским и Шуйским, сменив на кафедре уволенного на покой по требованию духовенства епархии за «деспотическое» управление и грубое обращение с духовенством архиепископа Алексия (Дородницына).
Участник Всероссийского Поместного Собора 19171918 годов в Москве. 28 ноября того же года возведен в сан митрополита. 7 декабря 1917 года избран членом Священного синода, разделив третье место по числу поданных за него голосов с архиепископами Анастасием (Грибановским) и Евлогием (Георгиевским).
В декабре 1917 года был избран членом Учредительного собрания по нижегородскому округу. Участия в работе Собрания не принимал.
В январе 1921 года митрополит Сергий был арестован и несколько месяцев находился в Бутырской тюрьме. На Пасху был выпущен на свободу. Известно, что за него поручился лишенный сана архиепископ Владимир (Путята). После заседания Синода, на котором Путяте в восстановлении сана было отказано, митрополита Сергия выслали в Нижний Новгород.
16 июня 1922 года митрополит Сергий, совместно с Нижегородским архиепископом Евдокимом (Мещерский) и Костромским архиепископом Серафимом (Мещеряковым), публично признали обновленческое ВЦУ единственной канонической церковной властью в так называемом Меморандуме трех («Воззвании»). Последнее гласило: «Мы, Сергий, Митрополит Владимирский и Шуйский, Евдоким, Архиепископ Нижегородский и Арзамасский, и Серафим, Архиепископ Костромской и Галичский, рассмотрев платформу Временного Церковного Управления и каноническую законность Управления, заявляем, что целиком разделяем мероприятия Временного Церковного Управления, считаем его единственной, канонически законной верховной церковной властью и все распоряжения, исходящие от него, считаем вполне законными и обязательными. Мы призываем последовать нашему примеру всех истинных пастырей и верующих сынов церкви, как вверенных нам, так и других епархий. 16-го июня 1922 года».