В 1914 году окончил церковно-приходскую школу, в зимнее время занимался сапожным делом в Санкт-Петербурге. Учился пению по граммофонным записям. Азы нотной грамоты и пения освоил в художественно-ремесленной школе, где участвовал в самодеятельных спектаклях и концертах. Во время учёбы на Тверских образцовых курсах комсостава РККА (1920) получил направление на учёбу в консерваторию.
С 1925 года пел в Оперной студии Большого театра под руководством К. С. Станиславского (ныне Московский музыкальный театр имени К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко), где, среди других, исполнял партию Ленского (опера П. И. Чайковского «Евгений Онегин»). Именно эта роль, которую певец исполнил более 500 раз, принесла ему широкую известность и любовь зрителей. «Ленский целиком заполнил мою жизнь, — говорил певец. — Из моих более чем тридцати ролей эта — самая дорогая, любимая, самая большая радость моего творчества». Пел эту партию всего 501 раз: 500-е исполнение прошло в 1965 году (после этого певец покинул оперную сцену), 501-е и последнее исполнение состоялось в Большом театре в июне 1972 года в честь предстоящего 70-летнего юбилея певца.
Во время войны выступал с фронтовыми бригадами. Во время одного из выступлений сильно простудился, и у него обострился туберкулёз лёгких. Оперативное лечение включало пневмоторакс правого лёгкого.
Певец собрал самые лучшие творения композиторов и поэтов XIX века, представил их широчайшей советской аудитории, популяризовал русское и советское оперное искусство.
Кроме пения в оперных спектаклях, много и плодотворно трудился над исполнением камерного репертуара. С гордостью отмечал, что ему удалось спеть все 100 романсов П. И. Чайковского (помимо романсов М. И. Глинки, Н. А. Римского-Корсакова и др.).
В 1951—1961 годах руководил кафедрой оперной подготовки, в 1969—1971 — кафедрой сольного пения в Московской консерватории. В 1959—1962 годах руководил Оперной студией при Московской консерватории, где поставил несколько спектаклей.
Вёл циклы передач на Всесоюзном радио, был руководителем вокальной группы.
Орден «Знак Почёта» (02.06.1937) — за выдающиеся заслуги в деле развития оперного и балетного искусства
Медали.
Московская консерватория и Оперная студия Большого театра под руководством К. С. Станиславского (1921—1925), Свердловский театр оперы и балета (1926—1927), Русская опера при КВЖД в Харбине (1927—1929), Тифлисский театр оперы и балета (1929—1931)
1954 — С. Н. Шапошников (Онегин), В. Н. Кудрявцева (Татьяна), О. Н. Головина (Ларина), А. Мещерякова (Ольга), К. Ф. Комиссарова (Филиппьевна, няня), И. Захаревич (князь Гремин), В. Райков (Ротный), Н. Я. Чесноков (Трике, француз), Д. Сильвестров (Зарецкий), В. Юрченко (Запевала). МАЛЕГОТ, дирижёр Г. А. Дониях. Запись по трансляции 28 октября 1954 г.[7]
1946 — Н. А. Казанцева (Лакме), А. Королёв (Нилаканта), А. И. Малюта (Маллика), Г. Тиц (Фредерик), К. Шеляховская (Роза), В. Градова (Елена), П. Левченко (миссис Бенсон), С. Фомичёв (Хаджи). Хор и оркестр Всесоюзного радио, дирижёр А. И. Орлов.
1948 — И. И. Масленникова (Джульетта), И. И. Петров (граф Капулетти), М. Д. Михайлов (Отец Лоран), И. М. Скобцов (Эскаль, герцог Веронский), И. П. Бурлак (Меркуцио, друг Ромео), Т. Л. Черняков (Тибальт, племянник Капулетти), Н. Остроумова (Гертруда, кормилица Джульетты), Н. П. Соколова (Стефано, паж Ромео), И. Назаренко (граф Парис), Ф. М. Годовкин (Бенволио, друг Ромео), И. Сипаев (Грегорио, слуга Капулетти). ГАБТ СССР, дирижёр В. В. Небольсин.
1948 — И. И. Масленникова (Мими), П. Г. Лисициан (Марсель), Г. П. Сахарова (Мюзетта), В. П. Захаров (Шонар), Б. Л. Добрин (Колен), Д. В. Демьянов (Бенуа), А. Беланов (Альциндор), С. Фомичёв (Парпиньоль), Т. Антоненко (таможенный сержант), М. В. Сказин (сторож). Хор ВРК, БСО, дирижёр С. А. Самосуд.
1951 — Е. В. Шумская (Виолетта Валери), П. Г. Лисициан (Жорж Жермон), О. Инсарова (Флора Бервуа), Б. Бобков (виконт Гастон де Леторьер), М. Соловьёв (барон Дюфоль), Г. Воробьёв (маркиз д’Обиньи), В. Горбунов (доктор Гренвиль), Т. Парфененко (служанка Аннина), И. Ионов (слуга), И. Хапов (посыльный). Филиал ГАБТа СССР, дирижёр С. С. Сахаров.
1955 — Г. Панков (Джакомо), Ю. Филин (Беппо), П. В. Воловов (лорд Кокбург), Е. И. Грибова (Памела), В. Горбунов (Маттео), Н. И. Гусельникова (Церлина), Н. Росляков (Франческо, жених), А. А. Соколов (Лоренцо, бригадир), И. Хапов (крестьянин), Е. Гаврюшова (служанка), Ю. Каменщиков (священник). ГАБТ СССР, дирижёр Б. Э. Хайкин.
1960 — Г. Д. Дударев (Андрей Дубровский), А. П. Иванов (Троекуров), В. Н. Кудрявцева (Маша, его дочь), П. И. Мокеев (князь Верейский), М. Тюремнов (исправник), В. Н. Попов (заседатель), Н. Н. Тимченко (Дефорж, француз), Р. Красноюрченко (Шабашкин, приказный), А. Васильева (Егоровна, няня), Е. Корнеев (Архип), И. Зорин (Гришка), Л. И. Болдин (Антон), Р. Орешкина (Таня, горничная Маши). Хор и оркестр МАМТ. Дирижёр — П. М. Славинский.
Сборники
Scenes and Arias from Operas — Sergei Lemeshev (CD) Label: Yedang Entertainment, 2002
Lebendige Vergangenheit: Sergei Lemeshev, Preiser Records Audio CD (July 4, 1998)[10]
Студия «Aquarius» (Россия), фрагменты из опер на CD:
2006 — Арии из опер (записи 1937—1940 гг.)
2006 — С. Лемешев, И. Масленникова (арии и дуэты из опер, записи 1944—1955 гг.)
2006 — С. Лемешев, И. Масленникова (фрагменты из опер Ж. Массне и Ш. Гуно, записи 1948—1951 гг.)
2006 — С. Лемешев, В. Кудрявцева (дуэты, записи 1952—1966 гг.)
2008 — Ж. Массне. «Вертер». С. Лемешев (Вертер), К. Леонова (Шарлотта) (фрагменты, запись 1960 г.)
2008 — Арии из опер (записи 1948—1952 гг.)
2008 — Арии из опер (записи 1953—1956 гг.)
2009 — Арии из опер (записи 1928—1936 гг.)
2010 — Арии из опер (записи 1940—1948 гг.)
2010 — Сцены и дуэты из опер (записи 1946—1964 гг.)
Студия «Aquarius» (Россия), сборники романсов и песен на CD:
2005 — «Память сердца» (романсы М. И. Глинки)
2005 — «Гори, гори, моя звезда…» (старинный русский романс, записи 1940—1974 гг.)
2005 — «Песнь моя летит с мольбою» (песни Шуберта, Грига, Листа, Бетховена и Монюшко, записи 1947—1972 гг.)
2005 — «Как соловей о розе» (романсы и песни XX века, записи 1950—1971 гг.)
2005 — «Звезда моих полей» (лирические песни прошлых лет, записи 1936—1959 гг.)
2006 — «Слова любви» (русские романсы, записи 1937—1952 гг.)
2006 — «Струны гитары нежные…» (итальянские песни, записи 1932—1954 гг.)
2006 — «У зари-то, у зореньки» (русские народные песни, записи 1951—1952 гг.)
2007 — «О, если б знали вы…» (романсы и песни П. И. Чайковского и С. В. Рахманинова, записи 1946—1959 гг.)
2007 — «Печаль моя светла» (романсы Н. А. Римского-Корсакова и М. А. Балакирева, записи 1940—1965 гг.)
2007 — «Хотел бы в единое слово» (романсы и песни П. И. Чайковского, записи 1946—1955 гг.) 2 CD
2009 — «Кабы Волга-матушка…» (русские и украинские народные песни, записи 1955—1974 гг.)
2009 — «Соловьём залётным» (русские народные песни, записи 1937—1943 гг.)
2009 — «Ах ты, зимушка-зима» (русские народные песни, записи 1944—1950 гг.)
2013 — Музыкальная история Сергея Лемешева (документальный) (реж. Сергей Садовский)
В 1978 году, через год после смерти певца, в его честь был назван астероид (4561) Лемешев.
В районе Фили-Давыдково Москвы есть Детская музыкальная школа, названная в его честь (ранее — ДМШ № 97).
в Новороссийском морском пароходстве был теплоход-сухогруз «Сергей Лемешев».
29 декабря 2007 года в Твери на Трёхсвятской улице у дома 25 был установлен памятник Сергею Лемешеву. Открытие было приурочено к 105-летию со дня рождения певца, уроженца Тверской губернии .
сыграл практически самого себя — таксиста, который впоследствии становится выдающимся оперным певцом
Львов М.С. Я. Лемешев.— М.—Л., 1947.
Сергей Яковлевич Лемешев: буклет.— М., 1953.
Грошева Е.С. Я. Лемешев.— М., 1960.
Львов М.Русские певцы.— М., 1965.— С.204—28.
Лемешев С. Я., Золотухин В. С., Хайкин Б. Э.С. Я. Лемешев. Из биографических записок. Статьи. Беседы. Письма. Воспоминания о С. Я. Лемешеве/Сост. и ред. Е. Грошева.— Советский композитор, 1987.— 400с.— (Деятели музыкального театра).
Кудрявцева-Лемешева В. Н.Рядом с С. Я. Лемешевым.— М.: Музыка, 2002.— 904с.— 2500 экз.— ISBN 5-7140-1241-0.