Мощи Преподобного Сергия обретены 18 июля (5 июля по старому стилю) 1422 г. при игумене Никоне. В 1408 г., когда Москва и ее окрестности подверглись нашествию татарских орд Едигея, Троицкая обитель была опустошена и сожжена, иноки во главе с игуменом Никоном укрылись в лесах, сохранив иконы, священные сосуды, книги и другие святыни, связанные с памятью преподобного Сергия. В ночном видении накануне татарского набега Преподобный Сергий известил своего ученика и преемника о грядущих испытаниях и предрек, что искушение будет непродолжительно и святая обитель, восстав из пепла, процветет и еще более возрастет. По пророчеству Преподобного, пройдя через огненное очищение, обитель Живоначальной Троицы воскресла вновь.
При строительстве нового храма во имя Живоначальной Троицы на месте деревянного, когда рыли рвы для фундамента были открыты нетленные мощи Преподобного, и все увидели, что не только тело, но и одежды на нем были невредимы, хотя кругом гроба стояла вода. При большом стечении народа, в присутствии сына Димитрия Донского, князя Звенигородского Юрия Димитриевича, святые мощи были изнесены из земли и временно поставлены в деревянной Троицкой церкви. Перенесены в 1426 году в каменный Троицкий собор, где и пребывают доныне.

По преданию семьи Флоренских, в 1919 году отцу Павлу Флоренскому стало известно о готовящемся властями вскрытии мощей преподобного Сергия, которое должно было состояться перед Пасхой. Дальнейшая сохранность мощей оказалась под большой угрозой.
В Троице-Сергиевой лавре состоялось тайное совещание, в котором приняли участие отец Павел Флоренский, наместник Лавры отец Кронид, член Комиссии по охране памятников истории и старины Троице-Сергиевой лавры граф Ю. А. Олсуфьев и, вероятно, члены Комиссии граф В. А. Комаровский, а также С. П. Мансуров и М. В. Шик, которые впоследствии стали священниками.
Участники совещания тайно проникли в Троицкий собор, где, прочитав молитву у раки с мощами Преподобного, отделили с помощью копья главу святого, которую заменили головой погребенного в лавре князя Трубецкого. Главу Сергия Радонежского граф Олсуфьев поместил в дубовый ковчег и перенес к себе домой. В 1928 году Олсуфьев, опасаясь ареста, закопал ковчег у себя в саду.
В 1933 году после ареста отца Павла Флоренского граф Ю. А. Олсуфьев бежал в Нижний Новгород, где посвятил в эту историю Павла Александровича Голубцова (будущего владыку Сергия — епископа Новгородского и Старорусского). П. А. Голубцову удалось переместить ковчег с главой преподобного Сергия из сада графа Олсуфьева в окрестности Николо-Угрешского монастыря под Москвой, где ковчег находился до окончания Великой Отечественной войны. Вернувшись с фронта, П. А. Голубцов передал ковчег Екатерине Павловне Васильчиковой (приемной дочери графа Олсуфьева), которая и стала последней хранительницей святыни.
В 1946 году, когда была вновь открыта Троице-Сергиева лавра, а мощи преподобного Сергия были возвращены монастырю, Е. П. Васильчикова тайно возвратила главу Сергия патриарху Алексию I, который благословил возвратить её на место, в раку.
По семейному преданию Флоренских отец Павел сделал записи на греческом языке о своем участии во всей этой истории. Однако никаких письменных свидетельств в его архивах найдено не было.