26 марта 1905 г. архиеп. Димитрий был переведен на Казанскую кафедру и предложил С. ехать с ним. 2 апр. С. был зачислен в число братии Казанского архиерейского дома, 11 мая возведен в сан игумена, 8 авг. назначен экономом Казанского архиерейского дома. Поскольку С. тяготился городской жизнью и стремился к уединенному монашескому житию, архиеп. Димитрий 1 сент. 1906 г. назначил его настоятелем Макариева свияжского в честь Вознесения Господня мужского монастыря. 17 янв. 1908 г. С. стал благочинным мон-рей 2-го благочиннического округа Казанской епархии.
После кончины архиеп. Димитрия (17 марта 1908) Казанскую кафедру занял архиеп. Никанор (Каменский), к-рый также высоко ценил С. 28 мая он возвел его в сан архимандрита, 7 янв. 1909 г. назначил настоятелем казанского Зилантова в честь Успения Пресвятой Богородицы монастыря. Фактически С. принял дела по управлению мон-рем в кон. 1908 г. Период настоятельства С. исследователи называют «десятилетием архимандрита Сергия», серебряным веком обители, «периодом последнего расцвета» Зилантова мон-ря. С. восстановил хозяйство мон-ря, провел необходимые строительные работы в храмах обители. В 1-й пол. 1909 г. у подножия Змеиной (Зилантовой) горы, на к-рой располагался мон-рь, было построено здание для школы (бóльшую часть средств пожертвовал архиеп. Никанор). 17 сент. архиеп. Никанор освятил здание; состоялось торжественное открытие церковноприходской школы при Зилантовом мон-ре, в к-рой обучались 40 мальчиков (в основном татары и чуваши), живших на полном иждивении обители. В 1909-1910 гг. для монастырской ц. Всех святых на средства жертвователей были приобретены запрестольный образ Спасителя в дубовом киоте и икона мч. Иоанна I Казанского; в монастырской ц. Успения Пресв. Богородицы позолочен киот Смоленской иконы Божией Матери; в 1912 г. ц. Всех святых была расписана в т. н. рус. стиле; иконостас отреставрирован и позолочен, устроено 2 киота для древних икон новгородского письма - свт. Николая и Ярославских чудотворцев. При монастырской трапезной ц. свт. Алексия была полностью обновлена хлебопекарня (в т. ч. сооружена новая печь). В Казани мон-рю принадлежала приписная ц. в честь Нерукотворного образа Спасителя, где братия мон-ря по субботам, воскресеньям и в праздники совершали для горожан богослужения по полному чину.
При С. в мон-рь были зачислены послушник прмч. Георгий (Тимофеев; 9 окт. 1909) и мон. прмч. Леонтий (Карягин; июнь 1909) (оба из Макариева свияжского мон-ря). В 1910 г. в обители был возведен новый келейный корпус. В 1917 г. в мон-ре подвизались 12 монашествующих и 15 послушников. С. был известен своими образованностью, строгим аскетизмом и благочестием, справедливостью, умением умиротворять возникающие в мон-рях раздоры (наиболее часто столкновения в местных мон-рях того времени случались на национальной почве). С. пользовался среди казанских монашествующих и прихожан любовью, уважением и непререкаемым авторитетом.
После установления в Казани советской власти многие насельники монастыря были призваны в армию, к сер. 1918 г. в обители осталось 11 чел. (7 монашествующих и 4 послушника). В июле С. обратился в епархиальный совет с просьбой перевести в Зилантов мон-рь иеромонаха Черемисского во имя архангела Михаила мужского монастыря прмч. Серафима (Кузьмина), к-рый 14 июля написал ему прошение и указал, что его как чуваша притесняют в мон-ре черемисы (марийцы). В нач. авг. Казань заняли войска Комитета учредительного собрания и Чехословацкого корпуса. Их части были расквартированы в Зилантовом мон-ре ввиду его выгодного стратегического положения на Змеиной горе; у стен обители поставили 2 орудия, обстреливавшие миноносцы красноармейской речной флотилии. По прошению С. братия мон-ря временно были размещены в казанском в честь Преображения Господня и казанском во имя святого Иоанна Предтечи муж. мон-рях; охранять Зилантов мон-рь были оставлены 3 чел. В ночь на 10 сент. белогвардейские войска оставили Казань; с ними, опасаясь террора, ушли 60 тыс. горожан, в т. ч. митр. Казанский Иаков (Пятницкий), викарный еп. Чебоксарский Борис (Шипулин) и значительная часть духовенства. Насельники Зилантова мон-ря вместе с С. вернулись в обитель, где обнаружили поручика М. М. Догеля. Рано утром 10 сент. братия отслужили литургию и собрались в трапезной. Когда вошедшие в город красноармейцы приблизились к мон-рю, Догель стрелял по ним и был заколот у пулемета. Обнаружив братию, красноармейцы вывели всех насельников и расстреляли у монастырской стены. Престарелый иером. Иосиф (Тюрин) чудом остался жив: он пришел в себя, когда красноармейцы ушли; добрался до мон-ря св. Иоанна Предтечи и рассказал о случившемся (иером. Иосиф поселился в мон-ре св. Иоанна Предтечи и через год умер). Отпевание мучеников лично совершил управляющий Казанской епархией архимандрит казанского Преображенского мон-ря сщмч. Иоасаф (Удалов; впосл. епископ), не желавший подвергать к.-л. другого из духовенства возможному из-за совершения отпевания преследованию (место могилы неизв.). Существует др. версия того, где были расстреляны братия: спустя неск. дней в Зилантов мон-рь пришли сестры казанского Богородицкого монастыря; по воспоминаниям инокини Вассы, они увидели трапезную, залитую кровью мучеников, и решили, что насельники были убиты в трапезной.
Братия Зилантова мон-ря (С., преподобномученики иером. Лаврентий (Никитин), иером. Серафим (Кузьмин), иеродиак. Феодосий (Александров), мон. Леонтий (Карягин), мон. Стефан, послушники Георгий (Тимофеев), Сергий (Галин), Иларион (Правдин), Иоанн (Сретенский)) были прославлены как местночтимые святые Казанской епархии 4 окт. 1999 г. Всецерковное прославление по представлению Казанской епархии было осуществлено Архиерейским юбилейным Собором РПЦ 2000 г. Имеют общий день почитания - 28 авг. Помимо Зилантова мон-ря, где почитают всех преподобномучеников, С., прмч. Леонтия и прмч. Георгия почитают также в Макариевом свияжском мон-ре.