Будущий великий российский тенор родился в бедной крестьянской семье 27 июня 1902 года в Тверской губернии. Оба родителя обладали яркими звучными голосами, а мама считалась лучшей местной певицей. После окончания четырех классов церковно приходской школы Сергей вместе со своим дядей отправился в Санкт-Петербург, чтобы обучится сапожному делу.
Великая Октябрьская революция внесла в жизнь коррективы и Сергею пришлось вернуться в родную деревню. Вместе с братом Алексеем он поступает в деревенскую художественно-ремесленную школу. Директор школы не оставил без внимания талантливое исполнение песен своего подопечного, познакомил его со своей супругой. В свою очередь она стала обучать Лемешева нотной грамоте и певческому мастерству. Именно в ремесленной школе юный Лемешев выучил арию Ленского, которая спустя время стала его визитной карточкой.
Сергей увлекся исполнительством не на шутку, стал грезить сценой. За своей мечтой он пешком отправился в Тверь. В городском клубе самодеятельности он впервые вышел на сцену и так понравился зрителям, что одаренного парня долго не отпускали аплодисментами. Через полгода Лемешев поступил в кавалерийское училище, но продолжал учиться в музыкальной школе у педагога Николая Сидельникова.
В 1921 году Лемешев поступил в Московскую консерваторию при конкурсе 25 человек на место. Педагогом Лемешева стал Назарий Райский. Первый сольный концерт Лемешева состоялся на сцене Российского института театрального искусства в 1924 году. Гонорар за это выступление был огромным – 175 рублей, на которые Сергей построил матери новую избу. В этом же году Сергей поступил в оперную студию Константина Станиславского.
На выпускном экзамене в консерватории Лемешев исполнил Ленского. А вскоре Сергея пригласили в Свердловский оперный театр им. Луначарского. Теперь все главные роли доставались Лемешеву. Но в Свердловске Лемешев работал не более года.
В Тифлисском театре оперы и балета молодого вокалиста услышал оперный певец Александр Пирогов. Именно Пирогов порекомендовал Лемешеву пробовать себя в Большом театре. И уже в 1931 году состоялся дебют Лемешева на сцене Большого театра. После успеха партии Царя Берендея в «Снегурочке» Лемешева зачислили в труппу.
Дирижер Большого театра Борис Хайкин говорил о Лемешеве, как о глубоком артисте, чей голос проникает в сердце, задевая сокровеннейшие струны. Долгие годы Лемешев оставался ведущим тенором театра, переиграл множество главный партий: Ромео в «Ромео и Джульетте», Фауста, Левко в «Майской ночи», герцога в «Риголетто». А партию Ленского Лемешев исполнил 501 раз.
Сергей Яковлевич попробовал себя и в кино, сыграв роль шофера в фильме «Музыкальная история». После начала Великой Отечественной войны труппа Большого театра отправилась в Куйбышев, а Лемешев остался в Москве. Театр продолжал работать, а Лемешев исполнять свои коронные партии.
В 1957 году Сергей Яковлевич перестал гастролировать. Он плотно занимался режиссурой и педагогикой. В 1972 году Сергей Лемешев дал свой юбилейный концерт и в последний раз исполнил Ленского. Публика рукоплескала стоя.
Сергей Лемешев заслужено получил звание народного артиста СССР, а также был удостоен Сталинской премии второй степени.
26 июня 1877 года великий оперный певец Сергей Лемешев скончался в Москве.