Преподобный Сергий родился в Тверской земле, в годы княжения тверского князя Дмитрия, при митрополите Петре. Родители святого были людьми благородными и благочестивыми. Его отца звали Кириллом, а мать — Марией.
Удивительное чудо свершилось ещё до рождения святого, когда он был в утробе матери. Мария пришла в церковь на литургию. Во время богослужения неродившийся ребёнок трижды громко прокричал. Мать заплакала от страха. Люди, слышавшие крик, стали искать ребёнка в церкви. Узнав, что младенец кричал из утробы матери, все изумились и устрашились.
Мария же, когда носила ребёнка, усердно постилась и молилась. Она решила, если родится мальчик, посвятить его Богу. Младенец появился на свет здоровым, но не хотел брать грудь, когда мать ела мясную пищу. На сороковой день мальчика принесли в церковь, крестили и дали ему имя Варфоломей. Родители рассказали священнику о троекратном крике младенца из утробы. Священник же сказал, что мальчик будет слугой Святой Троицы. Через время ребёнок не стал брать грудь в среду и в пятницу, а также не хотел питаться молоком кормилицы, а только своей матери.
Мальчик подрос, и его стали учить грамоте. У Варфоломея были два брата, Стефан и Пётр. Они быстро научились грамоте, а Варфоломей не мог. Он сильно печалился из-за этого.
Однажды отец послал Варфоломея искать лошадей. На поле под дубом мальчик увидел старца священника. Варфоломей рассказал священнику о своих неудачах в учёбе и попросил помолиться о нём. Старец дал отроку кусок просфоры и сказал, что отныне Варфоломей будет даже лучше знать грамоту, чем его братья и сверстники. Мальчик уговорил священника зайти к его родителям. Сначала старец пошёл в часовню, начал петь часы, а Варфоломею велел читать псалом. Неожиданно для себя отрок стал читать хорошо. Старец пошёл в дом, отведал пищи и предсказал Кириллу и Марии, что их сын будет велик перед Богом и людьми.
Через несколько лет Варфоломей начал строго поститься и молиться по ночам. Мать пыталась уговорить мальчика, чтобы он не губил свою плоть излишним воздержанием, но Варфоломей продолжал придерживаться избранного пути. Он не играл с другими детьми, а часто ходил в церковь и читал книги.