Сергей Лемешев родился в деревне Старое Князево Тверской губернии 27 июня (10 июля по старому стилю) 1902 года в крестьянской семье. В 1914 Сергей Лемешев окончил церковно-приходскую школу и был послан обучаться сапожному делу в Петербург; после переворота 1917 года окончил общеобразовательную школу в Твери, одновременно Сергей Лемешев посещал уроки в музыкальной школе. В 1921–1925 годах Сергей Лемешев учился в Московской консерватории в классе Н.Г.Райского; с 1924 года Сергей Лемешев работал в Оперной студии под руководством К.С.Станиславского. Затем, до 1931, пел в театрах Свердловска, Харбина, Тбилиси; в 1931 году Сергей Лемешев был приглашен в Большой театр, где дебютировал в партиях Царя Берендея (Снегурочка Римского-Корсакова), Ленского (Евгений Онегин Чайковского) и Джеральда (Лакме Делиба). До 1956 был ведущим солистом театра, где спел множество партий.
Популярность Сергея Лемешева в Москве была огромна, его выступления привлекали толпы поклонников (чей энтузиазм дополнительно «подогревался» естественно возникавшим соперничеством работавших в одном театре замечательных теноров-ровесников – Сергея Лемешева и И.С.Козловского). Огромное дарование певца было исключительно гармоничным, светлым; его манера пения – легкой и естественной, отмеченной высоким вкусом.
Умер Лемешев в Москве 26 июня 1977 году.