Родился в селе Константинове Рязанской губернии в крестьянской семье, отец — Александр Никитич Есенин (1873—1931), мать Татьяна Фёдоровна (1875—1955). В 1904 году Есенин пошел в Константиновское земское училище, потом начал учебу в закрытой церковно-учительской школе.

Осенью 1912 года Есенин прибыл в Москву, работал в книжном магазине, а потом — в типографии И. Д. Сытина.
В 1913 году поступил на историко-философский факультет Московского городского народного университета им. Шанявского. Работал в типографии, имел контакты с поэтами московского кружка имени Сурикова. Через год у Есенина родился сын Юрий (Георгий) от Анны Романовны Изрядновой (брак не был зарегистрирован). Юрий был расстрелян в 1937 году.
В 1914 году в детском журнале «Мирок» впервые были опубликованы стихотворения Есенина. В 1915 году Есенин приехал из Москвы в Петроград, читал свои стихотворения А. А. Блоку, С. М. Городецкому и другим поэтам. В это время он сблизился с группой «новокрестьянских поэтов» и издал первые сборники («Радуница» — 1916), которые сделали его очень известным. Вместе с Николаем Клюевым часто выступал в стилизованной «народной» одежде, в том числе перед императрицей Александрой Фёдоровной и её дочерями в Царском Селе.
В 1915—1917 Есенин поддерживал дружеские отношения с поэтом Леонидом Каннегисером, впоследствии убившим председателя Петроградской ЧК Урицкого.
В 1917—1921 годы Есенин состоял в браке с актрисой Зинаидой Николаевной Райх, впоследствии женой В. Э. Мейерхольда. От этого брака родились дочь Татьяна и сын Константин — впоследствии футбольный журналист. От переводчицы Надежды Вольпин у Есенина был сын Александр (р. 1924), впоследствии известный математик и деятель диссидентского движения.
К 1918 — началу 1920-х относится знакомство Есенина с Анатолием Мариенгофом и его активное участие в московской группе имажинистов.
В 1921 году поэт ездил в Среднюю Азию, посетил Урал и Оренбуржье. С 13 мая по 3 июня гостил в Ташкенте у своего друга и поэта Александра Ширяевца. Несмотря на неформальный характер визита, Есенин несколько раз выступал перед публикой, читал стихотворения на поэтических вечерах и в домах своих ташкентских друзей. По словам очевидцев, Есенин любил бывать в старом городе, чайханах старого города и Урды, слушать узбекскую поэзию, музыку и песни, посещать живописные окрестности Ташкента со своими друзьями. Он совершил также короткую поездку в Самарканд.
Осенью 1921 года в мастерской Г. Б. Якулова Есенин познакомился с танцовщицей Айседорой Дункан, на которой он через полгода женился. После свадьбы Есенин с Дункан ездили в Европу и в США, где он находился с мая 1922 года по август 1923 года. Газета «Известия» опубликовала записи Есенина об Америке «Железный Миргород». Брак с Дункан распался вскоре после их возвращения из-за границы.
В одной из последних поэм — «Страна негодяев» — поэт очень резко пишет о лидерах современной ему России, что некоторыми могло восприниматься как обличение советской власти. Это привлекло повышенное внимание к нему со стороны правоохранительных органов, в том числе и работников милиции и ОГПУ. В газетах стали появляться резко критические статьи о нём, обвиняющие его в пьянстве, драках и прочих антисоциальных поступках, хотя поэт своим поведением (особенно во второй половине 1920-х годов) иногда сам давал основание для подобного рода критики со стороны своих недоброжелателей.
В начале 1920-х годы Есенин активно занимался книжно-издательской деятельностью, а также продажей книг в арендованной им книжной лавке на Большой Никитской, что занимало почти все время поэта. Последние годы жизни Есенин много путешествовал по стране. Он трижды посетил Кавказ, несколько раз съездил в Ленинград, семь раз в Константиново.
В 1924—1925 годах Есенин посетил Азербайджан, выпустил сборник стихов в типографии «Красный восток», печатался в местном издательстве. Жил в селении Мардакян (пригород Баку). В настоящее время здесь находятся его дом-музей и мемориальная доска.
В 1924 году Сергей Есенин решил порвать с имажинизмом из-за разногласий с А. Б. Мариенгофом; Есенин и Иван Грузинов опубликовали открытое письмо о роспуске группировки. Осенью 1925 Есенин женился в третий и последний раз на Софье Андреевне Толстой — внучке Л. Н. Толстого. Однако брак оказался не слишком счастливым для поэта.
Барельеф Сергея Есенина на доме, в котором он жил со своей женой, Софьей Толстой. Москва, Петровский пер.
В конце ноября 1925 года Софья Толстая договорилась с директором платной психоневрологической клиники Московского университета профессором П. Б. Ганнушкиным о госпитализации поэта в его клинику. Об этом знало только несколько близких поэту людей. По одной версии причиной госпитализации Есенина явилась необходимость лечения его депрессивного состояния, в котором он находился, в том числе и по причинам связанным с алкогольной зависимостью, по другой — необходимость скрыться от постоянной опеки ОГПУ. Боязнь внимания (мнимого или реального) со стороны ОГПУ заставила поэта 23 декабря 1925 года покинуть, соблюдая конспирацию, клинику и уехать в Ленинград.

28 декабря 1925 года Есенина нашли в ленинградской гостинице «Англетер» повешенным на трубе парового отопления. Последнее его стихотворение было написано в этой гостинице, кровью: «До свиданья, друг мой, до свиданья…»
По наиболее распространённой версии, Есенин в состоянии депрессии (через месяц после лечения в психоневрологической больнице) покончил жизнь самоубийством (повесился). Ни современниками события, ни в ближайшие несколько десятилетий после смерти поэта других версий события не высказывалось. В 1970—1980-е годы (преимущественно в националистических кругах) возникли также версии об убийстве поэта с последующей инсценировкой его самоубийства: на почве ревности, корыстной почве, убийстве сотрудниками ОГПУ. В качестве аргументов сторонники этой версии приводят также некоторые, с их точки зрения, странности и непоследовательности в документах о гибели Есенина.