Den hellige Sergius I var av syrisk avstamming og født på Sicilia som sønn av Tiberius. Hans familie hadde sannsynligvis flyktet for musliminvasjonene. Det er mulig at han ble født i Antiokia, men han gikk i alle fall på skole i Palermo. Han kom til Roma under Adeodatus II, ble ordinert, studerte på katedralskolen i byen og ble til slutt titularprest av Sta Susanna på Quirinal-høyden. Han var kjent for sin hengivenhet for martyrene, og leste ofte messe i katakombene.
Etter at Konon døde den 21. september 687, ble det splittelse ved valget av ny pave. En fraksjon valgte erkediakonen Paschalis, som hadde skaffet seg støtte fra den bysantinske eksarken Johannes Platyn ved å tilby ham store bestikkelser. Den andre fraksjonen valgte erkepresten Theodor, som også hadde vært kandidat da Konon ble valgt.
Da partiene ikke kunne bli enige, ble det holdt et møte mellom ledende sivile tjenestemenn, offiserer i hæren og flertallet av geistligheten, i det keiserlige palass på Palatin-høyden. Enstemmig valgte de Sergius som kompromisskandidat. Han ble så ført til Lateranpalasset, hvor portene måtte stormes siden det var okkupert av de rivaliserende grupperingene og deres kandidater. Theodor aksepterte straks den nye paven, men Paschalis underkastet seg bare motstrebende og under tvang. I hemmelighet bønnfalt han eksarken om å komme til Roma for å omstøte valget. Til alles overraskelse kom Johannes Platyn uanmeldt, men snart avgjorde han i lys av den overveldende støtte Sergius hadde, at valget skulle stå fast. Han ga derfor den godkjennelsen som var nødvendig for at Sergius kunne konsekreres den 15. desember, men først etter at han hadde tvunget paven til å gi ham de 100 pund gull som Paschalis hadde lovt ham. Sergius' og romernes protester mot dette ublu kravet var forgjeves.
Sergius viste seg som en dyktig og energisk pave som med suksess hevdet Romas autoritet, for eksempel da biskop Damian av Ravenna kom til Roma for å bli konsekrert. Det var den første innehaver av dette setet som gjorde det siden slutten på Ravennas kortvarige uavhengighet (666-82/83).
Sergius var svært opptatt av den engelske kirken. Den 10. april 689 døpte han den unge, mektige Caedwalla, den vest-saksiske kongen som kom som pilegrim til Roma. I 693 ga han palliet til erkebiskop Bertwald (Beorhtweald) av Canterbury og beordret at Wilfrid skulle gjeninnsettes på setet i York (ca 700).
I 693 godkjente Sergius misjonen til Frisland ledet av angelsakseren Willibrord (658-739), som Pipin av Herstal hadde sendt til Roma for å få pavens velsignelse, og den 27. november 695 konsekrerte paven ham til erkebiskop for friserne og ga ham palliet.
Etter et konsil langobardkongen Kunibert holdt i Pavia, gjenopptok Sergius i 700 kirkefellesskapet med Aquileia-Grado. Skismaet hadde vart siden Vigilius' fordømmelse av De tre kapitler i 553.
Sergius' pontifikat var preget av ny strid med Bysants. Der bredte det seg en krenket følelse over at de romerske standpunktene hadde seiret i trosspørsmål på det 6. økumeniske konsil, som de også hadde gjort tidligere. Den selvbevisste keiser Justinian II (685-95; 705-11) hadde etterfulgt sin far, og han var ivrig etter å etterligne sin navnebror ved å presidere over et stort konsil. Uten å invitere vesten innkalte han i 692 en forsamling av østlige biskoper for å «fullføre» arbeidet fra det 5. og 6. konsil (553 og 680). Derfor fikk konsilet navnet Quinisextum (femte-sjette). Begge konsilene hadde bare truffet dogmatiske avgjørelser, og åpenbart skulle Romas seier i lærespørsmål følges opp med en seier for den orientalske kirke i disiplinære saker.
Synoden ble holdt i kuppelsalen (trullus = kuppel) i keiserens palass (der også det 6. allmenne konsil var blitt holdt), derfor kalles det også Trullanum (II). Der ble det vedtatt 102 canones med et stort antall disiplinære og rituelle bestemmelser. Disse var østlig inspirert, delvis passet de bare for øst, men delvis var de også direkte fiendtlig mot det kirkelige liv i den vestlige kirken. De ignorerte vestlig kirkerett og fordømte praksis som var etablert i vest, for eksempel klerikalt sølibat og lørdagsfaste i langfasten. De fornyet uttrykkelig kanon 28 fra Kalkedon (451) som ga Konstantinopel patriarkatstatus bare etter Roma, noe Roma konsekvent hadde protestert mot.
Pavens apokrisiar i Konstantinopel ble forledet til å underskrive vedtakene fra konsilet. Til paven, som bare ble betegnet som «Vestens patriark», ble det sendt kopi med et blankt felt for hans signatur. Sammen med kopien kom et strengt direktiv om å anerkjenne de østkirkelige lovene ved sin underskrift som bindende for seg selv og for «de barbariske folkene» i vest. Hvis han nektet, skulle han lide samme skjebne som Martin I. Men Sergius nektet bestemt å signere, og han tillot heller ikke vedtakene å bli offentlig lest opp.
Rasende over pavens holdning grep Justinian til brutal makt. Etter å ha grepet og deportert Sergius' viktigste rådgivere, sendte keiseren Zacharias, kommandør for den keiserlige livgarde, til Roma med ordre om enten å få Sergius' signatur eller bringe ham som fange til Konstantinopel.
Men nå viste det seg at grensene for keiserens autoritet i Italia var nådd, og det skjedde noe helt nytt. De keiserlige militærstyrkene i Italia, som nå var mer en italiensk milits enn regulære styrker fra øst, nektet å samarbeide, og soldatene i Roma, Ravenna og Pentapolis erklærte seg løst fra keiserlig kommando. Hæren fra Ravenna marsjerte mot Roma, og det romerske folket reiste seg også til støtte for paven. Zacharias flyktet for folkets og militsens raseri inn i pavepalasset og gjemte seg under pavens seng. Paven måtte til sluttroe soldatene og bønnfalle dem om å spare generalens liv. Med skam og skjensel ble han siden jaget ut av byen, som LP forteller.
Dette var et ydmykende nederlag for keiser Justinian, som ikke var i stand til å hevne skammen før han selv ble styrtet og fengslet i 695, etter å ha gjort seg forhatt i vide kretser på grunn av sitt skattetrykk og sin hardhet. Han fikk nesen skåret av og forvist til den bysantinske kolonien på Krim. Roma var blitt en pavelig by, hvor man ikke lenger anerkjente keiserens befalinger, men bare pavens åndelige autoritet.
I mellomtiden ble det bysantinske riket kastet inn i indre maktkamp og forvirring. Justinian II skulle bli den siste av det armenske dynasti på tronen. Men etter de korte regjeringsperiodene til Leontius (695-698) og Tiberios II (698-705) lyktes det ham å gjenvinne makten (705-711) ved hjelp av bulgarske tropper. Men gjennom sin grusomhet og stadig voksende skrekkvelde fikk han fiender overalt, og han ble styrtet igjen i 711 og deretter drept. I de følgende årene innsatte og styrtet hæren keiserne Philippikos (711-713), Anastasios II (713-715) og Theodosios III (715-717). Først da det isauriske (det vil si syriske) dynasti grep makten i Konstantinopel med soldatkeiseren Leo III (717-41), vendte man tilbake til ordnede forhold. I disse årene var en inngripen i de italienske forhold umulig.
Sergius var aktiv i å restaurere og utsmykke romerske kirker, inkludert St. Peter, St. Paulus og sin egen Sta Susanna. Et av hans første tiltak var den 8. juni 688 å flytte de jordiske rester av pave Leo I den Store fra sitt uanselige hvilested til et utsmykket gravmonument inne i basilikaen, godt synlig for offentligheten.
Sergius var selv en meget dyktig sanger, og han innførte i 701 avsyngingen av Agnus Dei i messen. Han beriket også i 692 de fire store Mariafestene Bebudelsen, Innsovningen, Fødselen og Fremstillingen med høytidelige prosesjoner, inkludert en nattlig lysprosesjon til festen for Marias innsovning (nå: opptagelse i himmelen). Han virker også å ha innført festen for Korsets opphøyelse.
Sergius I døde den 8. (9. ?) september 701 og ble gravlagt i Peterskirken (gravlagt den 8. september?). Han nevnes i den primitive kalenderen til den hellige Willibrord, noe som indikerer at hans kult startet ikke lenge etter hans død. Hans fest er 8. september.