В 1886 году Иван Страгородский поступил в Петербургскую духовную академию. На последнем курсе академии 30 января 1890 года принял постриг и вскоре был рукоположен в иеромонаха. Сокурсник Патриарха архиепископ Варфоломей (Городцев) вспоминал: "Действительно яркой звездою… курса был Страгородский Иван Николаевич… Он с первых же дней заявил себя внимательным отношением к так называемым семестровым сочинениям, вдумчиво прочитывал нужные книги, для чего часто посещал Публичную библиотеку, слушал лекции и на экзаменах давал блестящие ответы… Еще на третьем курсе он начал усердно изучать творения святых отцов Церкви и знакомиться с мистической литературой… Под влиянием отеческой и аскетической литературы в сердце Ивана Николаевича стало зреть и крепнуть желание принять монашество, и он еще студентом решил поехать в Валаамский монастырь, чтобы опытно изведать подвижническую жизнь иноков этого строгого по уставу монастыря… Он… очень любил творения Тихона Задонского, Феофана Затворника… В беседах он и меня звал в монашество: "Оставь, — говорил он, — мертвых погребать своих мертвецов".
Кандидатскую диссертацию "Православное учение о вере и добрых делах" он писал под руководством профессора А. Л. Катанского, и в 1880 году закончил академию первым из 47 кандидатов–магистрантов.
Ректору академии он подал прошение направить его на службу в Японскую Православную Миссию. В Японии он служил под началом святого равноапостольного Николая. Исключительные лингвистические способности миссионера (он превосходно знал греческий, латинский, еврейский и новые европейские языки) позволили ему за несколько месяцев овладеть японским. С осени 1891 года он уже преподавал догматическое богословие в семинарии на родном для учащихся языке.
Весной 1893 года иеромонах Сергий был переведен в Россию и назначен доцентом Петербургской духовной академии по кафедре Священного Писания. В том же году его переместили на должность инспектора Московской духовной академии, а в 1894 году назначили настоятелем Русской посольской; церкви в Афинах с возведением в сан архимандрита.
В 1895 году архимандрит Сергий защитил магистерскую диссертации "Православное учение о спасении". Основная мысль этой замечательной работы — о тождестве добродетели и блаженства, нравственного совершенства спасения. Развивая православную сотериологию, архимандрит Сергий подвергает критике "юридическую доктрину" с ее понятием заслуги, получающей должное воздаяние в вечной жизни. По мысли автора диссертации, верно истолковавшего святоотеческое учение, спасение начинается в земной жизни и состоит в изменении тварной природы, совершаемом Божественной благодатью, действующей в согласии с человеческой волей и приводящей в обожению тварного бытия. Сотериологические воззрения Патриарха Сергия оказали заметное влияние на выдающегося догматиста нашего века В. Н. Лосского.
В 1899 году архимандрит Сергий был назначен ректором Петербургской духовной семинарии, вскоре после этого переведен в Петербургскую духовную академию, вначале инспектором, а в январе 1901 года назначен ректором.