Сын рано умершего композитора А.Н.Серова. Формированием сына занималась мать – пианистка В.С.Серова. Учился в детстве у И.Е.Репина в 1870-е, в рисовальной школе Н.И.Мурашко в 1877, затем – в Императорской Академии художеств в Санкт-Петербурге (ИАХ) и в частной мастерской П.П.Чистякова в 1880–1885. Преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества (1897–1909), воспитал плеяду крупнейших художников-экспериментаторов. Член Абрамцевского кружка (с 1875), член Товарищества передвижных художественных выставок (1894–1900), объединения "Мир искусства" (с 1900), Союза русских художников (с 1903) и других объединений. Академик (с 1898) и действительный член ИАХ (с 1903). Вышел из Академии в знак протеста после расстрела мирной демонстрации 9 января 1905 года. Был членом Попечительского Совета Третьяковской галереи, сыграл значительную роль в формировании ее коллекции. Серов – величайший русский портретист. В своем творческом методе он блестяще соединял традиции и новаторство. Современным течениям импрессионизму и модерну сумел придать неповторимое авторское своеобразие.