Родился 21 июня 1958 года в посёлке Няксимволь Берёзовского района Ханты-Мансийского автономного округа. Окончил Берёзовскую школу. В 1975 году переехал в Кострому, где поступил в технологический институт на отделение машиностроения. Окончил его с красным дипломом и устроился инженером на Костромской завод. В 1980 году переехал в Челябинск, работал слесарем, бригадиром токарей, мастером на Челябинском трубопрокатном заводе.
С 1982 по 1984 годы – заведующий отделом комсомольских организаций Ленинского РК ВЛКСМ в г. Челябинске. В 1984 году Собянин приехал в Когалым. В последующие несколько лет он сменил там несколько постов. Был председателем совета депутатов, начальником управления ЖКХ, секретарём горисполкома. В 1989 году окончил Всесоюзный юридический заочный институт. В 1991 году возглавил администрацию Когалыма.
Первым заместителем главы администрации Ханты-Мансийского автономного округа Сергей Семенович был назначен в ноябре 1993 года, а уже через полгода избран депутатом окружной Думы, был ее председателем.
Член комиссии по координации законодательной деятельности, депутат, а затем председатель Думы Ханты-Мансийского автономного округа. Включен в состав Совета по местному самоуправлению в Российской Федерации. Работал председателем комитета Совета Федерации РФ по конституционному законодательству и судебно-правовым вопросам.
Кандидат юридических наук. В 1999 году в Институте законодательства и сравнительного правоведения при правительстве РФ защитил диссертацию на тему «Правовое положение автономных округов как субъектов Российской Федерации».
В 2000 году назначен первым заместителем полномочного представителя президента РФ в Уральском федеральном округе. Он баллотировался на пост губернатора Тюменской области как общая кандидатура от Югры и Ямала.
14 января 2001 года победил на губернаторских выборах действовавшего тогда губернатора Леонида Рокецкого. При нем Тюменская область, Югра и Ямал подписали программу «Сотрудничество», которая сохранило статус-кво субъектов тюменской матрешки и добавила бюджету Тюменской области мощи.
Впервые за долгие годы началось стремительное развитие. Строились дороги, появились новые школы, больницы, запустилось строительство крупных промышленных и социальных объектов, развитие спорта. В регион пошли инвесторы. При Собянине началась разработка таких значимых для экономики региона проектов, как уватский проект «Роснефти» и Антипинский НПЗ, индустриальные парки. В социальной сфере ввел новую систему финансирования медицины и новую систему зарплаты учителей. В результате большой работы и проведения целого ряда сложных реформ регион стал оним из лучших в стране.В декабре 2004 года были утверждены поправки, согласно которым глава Тюменской области стал избираться не всенародным голосованием, а законодательным собранием по представлению президента. В феврале 2005 года областная дума утвердила кандидатуру Собянина, и он остался губернатором.
Способность и решительность тюменского губернатора оценил президент Владимир Владимирович Путин. С 2005 года Сергей Семенович назначен руководителем администрации президента РФ. В 2008 году стал вице-премьером и возглавил аппарат правительства РФ. Через год он сильно сократил его штат. С 2010 года занимает пост мэра Москвы. В 2013, 2018 и 2023 годах переизбирался на пост мэра.
В 2011 году московское правительство утвердило программу «Градостроительная политика», направленную на развитие транспорта, образования, здравоохранение, социальной поддержки москвичей, безопасности города и других сфер. Как заявил Собянин в своих социальных сетях в мае 2023 года, за 12 лет в Москве было создано более 900 социальных объектов, а с 2011 до 2022 года всего было возведено более 6 тыс. различных зданий.
К 2022 году в Москве было реконструировано и создано более 880 парков и зеленых территорий, в 2020 году после реставрации открылся Северный речной вокзал, в 2023-м – Южный. Городская администрация активно начала заниматься реконструкцией и благоустройством улиц.
В августе 2017 года московские власти объявили о начале программы реновации жилья.
С 2011 года в Москве запустили 200 км линий метро (вместе с МЦК). В 2018 году в Москве стали ходить электробусы.
С 2025 года столичные власти ввели биометрический контроль для прибывающих иностранных граждан на Московском авиационном узле.
В июле 2026 года Собянин вошел в федеральную часть списка «Единой России» на выборах в Госдуму.
Звание «Почетный гражданин Тюменской области» и «Почетный гражданин города Тюмени» присвоено Сергею Семеновичу Собянину в 2005 году.
Награжден орденами Почета (2003), «За заслуги перед Отечеством» I степени (2023), медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени (1999), медалью П. А. Столыпина I степени (2010).
Удостоен орденов Святого благоверного князя Даниила Московского I, II и III степеней (2017, 2014, 2018) и Преподобного Сергия Радонежского II степени (2024).
Лауреат премии «Юрист года» в номинации «За защиту социальных и трудовых прав граждан» (2023).
Лауреат Всемирной инновационной премии в номинации «Устойчивые города и сообщества» (2024).
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).
5 сентября 2026 года Сергею Семеновчу присвоено звание Героя Труда Российской Федерации за особые заслуги в решении социально-экономических вопросов города Москвы.
