A kolostort az 1340-es években egy Szergij nevű szerzetes és testvére alapították a Radonyezs település melletti erdőben. Nemsokára a Szentháromság tiszteletére fatemplomot emeltek, később a kolostor alapítója nevét vette fel. A hagyomány szerint 1380-ban a hadba induló Dmitrij Ivanovics moszkvai fejedelmet Szergij szerzetes megáldotta és megjósolta győzelmét. A Don-folyó melletti Kulikovo mezején megvívott sorsdöntő csatában az orosz seregek először arattak győzelmet az Arany Horda csapatai felett, a fejedelem ezután kapta a "Donszkoj" nevet. A kolostornak híre kelt, Szergijnek számos követője, tanítványa támadt, akik közül többen az északi földeken újabb kolostorokat alapítottak. A sok különálló orosz fejedelemség idején ezek a kolostorok a széthúzás helyett az összetartozást képviselték, végső soron pedig az egységesülő ország és a központi hatalom megerősödését szolgálták. Szergij atya 1392-be hunyt el és 60 évvel később szentté avatták. Sírja a kolostorral együtt zarándokhellyé vált.