זמן קצר לאחר מכן, עקב נפילתו המפתיעה מהשלטון של הקיסר פוקאס, הכתיר סרגיוס את הרקליוס לשליט האימפריה הרומית. משך שליטתם המקבילה של הראקליוס באימפריה ושל סרגיוס בכנסייה מאופיין בשיתוף פעולה מלא בין השניים. סרגיוס היה תומך נלהב של הרקליוס ולהפך. ביציאתו לקרבות בגבולות האימפריה כנגד הפרסים, השאיר הרקליוס את סרגיוס כאחראי על קונסטנטינופול. האהדה של הרקליוס לסרגיוס התקיימה, למרות שסרגיוס ניסה למנוע את נישואיו של הראקליוס לאחיניתו מרטינה, והתנגדותו להעברת הבירה של האימפריה מקונסטנטינופול לקרתגו. סירובו לנישואים נובע מכך שמהלך כזה נגד את כל המוסכמות הנוצריות-דתיות באותן שנים. בסופו של דבר הפטריארך סרגיוס הסכים לנישואים ואף ערך את הטקס בעצמו. הסיבה לסירובו של סרגיוס למעבר לקרתגו, ככל הנראה נבעה מחשש שלו לאיבוד חלק מכוחו והשפעתו באימפריה. בסופו של דבר בירת האימפריה לא עברה לקרתגו, לא בתקופת סרגיוס ולא בשום שלב אחר. בירת האימפריה נשארה קונסטנטינופול עד סופה וכיבושה על ידי הטורקים ב-1453. סרגיוס הראשון היה מעורב בצורה נרחבת בכלכלה ובמצב הפיננסי של הכנסייה. שליטתו באוצר של הכנסייה היה כה חזק ומשמעותי שהוא איפשר להראקליוס להשתמש בו לצורך לחימה כנגד הפלישות הפרסית לאימפריה.