Родился будущий священномученик 10 апреля 1879 г. в Екатеринбурге, сын протоиерея. Окончил курс Тобольской Духовной семинарии.
В 1903 г. рукоположен в сан священника к Усениковской церкви Тобольской епархии. В 1904 г. заведующий Бушмановской церковно-приходской школы. В 1905 г. заведующий Андреевской школы грамоты.
С 1909 по 1913 гг. обучался в Казанской Духовной Академии. Был приглашён епископом Забайкальским и Нерчинским Иоанном (Смирновым) наместо епархиального противораскольничьего и противосектантского миссионера игумена Серафима, переведённого в Томскую епархию.
Указом Святейшего Синода 2 мая 1913 г. за № 7071 назначен на должность епархиального миссионера-проповедника. 13 августа 1913 г. назначен на должность псаломщика при железнодорожной церкви на ст. Чита‑1 (Дальний вокзал) с сохранением должности миссионера.
В Иоанно-Предтеченском храме на вокзале по благословению владыки вёл внебогослужебные беседы по воскресным и праздничным дням.
В марте 1914 г. был командирован в Ургу (Трехречье, Монголия) для Великопостных и Пасхальных богослужений.
Императорский дипломатический агент и Генеральный консул А. Миллер отправил письмо от 28 мая 1914 г. с отзывом о деятельности о. Сергия:
«Священник Сергий Знаменский своими высокими качествами пастыря и красноречивыми проповедями сумел снискать себе среди православных в столице Монголии глубокое уважение и искреннюю любовь. За короткое время привлёк в пустовавший ранее Свято-Троицкий храм молящихся. Первый священник, который устроил крестные ходы с иконой Божией Матери Самонаписавшейся не только в районе Генерального Консульства, но и за 4 версты в русское поселение Курень, расположенной среди монгольской столицы с ея кумирнями. Благодаря энергии и неусыпным заботам о. Сергия возобновился сбор на постройку православного храма в Урге, место которого было освящено 25 мая.
Все местные прихожане и я искренне сожалеем, что плодотворная деятельность о. Сергия быстро прекратилась».
Он обращался к владыке о продлении командировки о. Сергию в Урге, но владыка отказал в связи с тем, что в Чите находились разного рода сектанты.
1 августа 1914 г. написал прошение епископу Иоанну с инициативой открытия кружков ревнителей православия в помощь в борьбе с сектантами. 3 августа такие кружки были открыты в Танхое, в г. Верхнеудинске при Соборной, Спасской и Вокзальной церквях.
14 марта 1915 г. откомандирован в действующую армию с лазаретом от Забайкальской области на Западный фронт. На запрос Духовного правления при протопресвитере военного и морского ведомства о священнике Сергии Знаменском Владыка Иоанн (Смирнов) написал: «Обладает даром слова, трезв, умеет хорошо служить. Выступал неоднократно со статьями по церковной истории и проповедничеству… Для службы в подвижном военном ведомстве подходящ».
Был полковым священником в 3 действующей армии, 31 корпусе, 83 дивизии, 17 врачебно-питательном отряде им. Верховного Главнокомандующего. Затем в 236 Борисоглебском полку 59 пехотной дивизии. Он пробыл на самых разных фронтах до конца войны. В 1917 г. был рукоположен в сан протоиерея. Имел награды: два ордена, Георгиевский Крест IV степени, крест с украшениями, митру. С фронта в Забайкалье вернуться не удалось, в это время началась гражданская война и почти остановилось движение на железных дорогах. Разруха застала его в то время, когда он находился в Симбирске, и архиепископ Симбирский Вениамин (Муратовский) назначил его в Троицкую церковь в село Чуфарово Симбирского уезда, куда к нему приехала жена с дочерью.
21 марта 1921 г. протоиерей Сергий был арестован и заключён в тюрьму ЧК. 20 апреля 1921 года Коллегия ЧК Симбирской губернии постановила заключить священника на 5 лет в концлагерь за «антисоветскую агитацию».
23 апреля он был заключён в Симбирский губернский концентрационный лагерь принудительных работ. 22 февраля 1924 г. Комиссия НКВД по административным высылкам изменила приговор на два года ссылки в Зырянский край. Через 8 месяцев отец Сергий был освобождён; возвращаясь в Симбирск, он остановился в городе Вятке, так как не имел средств сразу доехать до Симбирска. На следующий день по его приезде в Вятку епископ Авраамий (Дернов) назначил протоиерея Сергия настоятелем Успенского собора в городе Яранске Вятской губернии. 25 июня (ст. ст.).
В 1925 г. снова арестован. 26 марта 1926 г. Особое Совещание при Коллегии ОГПУ приговорило протоиерея Сергия к двум годам заключения. С открытием навигации на Белом море он был отправлен в Соловецкий концлагерь. По окончании срока заключения в 1927 г., был направлен в Екатеринбург под надзор ОГПУ.
В 1928 г. вновь арестован и приговорён к трём годам ссылки в Узбекистан. Вернувшись из ссылки, протоиерей Сергий стал служить в храме мучеников Флора и Лавра в городе Кашире Московской области.
Арестован 17 ноября 1937 г. Виновным себя не признал, показал, что имел враждебное отношение к советской власти, но враждебных действий не проявлял.
Начиная с 1920 г. заключение отбывал в тюрьмах Симбирска, Мурома, Владимира, Вятки, был сослан в Зырянский край, на Соловки, Узбекистан.
27 ноября 1937 г. расстрелян в Бутово Московской области. Погребён в безвестной общей могиле на полигоне Бутово.
Священномученик протоиерей Сергий Знаменский канонизирован Архиерейским Собором Русской Православной Церковью 13–16 августа 2000 г.