Ранее на месте храма во имя преподобного Сергия Радонежского была деревянная часовня. В 1732 году вместо неё возвели каменный храм, который перестроили в 1886—1890 годах. Церковь расположена практически в центре монастырского архитектурного ансамбля, между Никольским и Мефодиевским храмами. Сергиевская церковь построена из красного кирпича в так называемом псевдорусском стиле, распространённом во второй половине XIX века. Архитектура храма напоминает древний терем с нарядным крыльцом, сложными узорами из кирпича, подобием белокаменной резьбы и «кокошниками» — вытянутыми килевидными завершениями на кровле.
В XIX — начале XX века в церкви хранился посох святого Мефодия, древний напрестольный крест и деревянный потир, с которым, по преданию, основатель обители совершал Таинство Евхаристии. Сейчас потир хранится в Дмитровском краеведческом музее, куда его передали в 1928 году, чтобы сохранить святыню от осквернения. Сейчас у южной стены храма находится рака с мощами преподобного Мефодия Пешношского.
В 1920-х годах церковь закрыли, потом в ней устроили котельную ПНИ, действовавшую до 1980-х годов. За это время внутреннее и внешнее убранство храма значительно пострадало. Перед передачей Церкви была проведена масштабная реставрация.
Храм во имя Сергия Радонежского возродили в монастыре первым, его освящение состоялось 17 июня 2008 года. Окончание восстановления каждого храма Николо-Пешношской обители приурочивалось к памятным датам. Сергиевский храм освятили в день памяти преподобного Мефодия Пешношского.
