Мощи преподобного Сергия († 1392) были обретены 5 (118) июля 1422 г. при преподобном игумене Никоне († 1426). В 1408 г. Москва подверглась нашествию татарских орд, Троицкая обитель была ограблена и сожжена, монахи вынуждены были укрываться в лесах вместе с иконами и святынями монастыря. В ночном видении накануне побега преподобный Сергий сообщил своему ученику и преемнику – игумену Никону – о предстоящем испытании, ободрив его тем, что вскоре обитель вскоре восстановится.
Накануне начала строительства нового храма в честь Живоначальной Троицы на месте деревянного, преподобный Сергий явился одному мирянину и велел передать игумену: «Зачем оставляете меня столько времени во гробе, в воде, утесняющей тело мое?» И действительно, при раскопке земли для фундамента мощи преподобного были обретены нетленными. Невредимыми остались даже одежды, хотя тело окружала вода. При большом стечении людей и присутствии князя, святые мощи были перенесены во временный храм (на том месте сейчас находится храм сошествия Святого Духа). В 1426 году был освящён каменный Троицкий собор, куда и перенесли святые мощи.
Мощам преподобного Сергия суждено было перенести ещё одно испытание, а также ещё одно обретение. В 1919 г. Наркомат юстиции новопровозглашённой советской власти, несмотря на протесты патриарха Тихона, собиралась вывезти мощи преподобного Сергия из Троице-Сергиевой Лавры в московский музей атеизма, рассматривались также варианты уничтожения их или захоронения. Наконец, стало известно, что изъятие мощей состоится 30 марта 1920 г. братия монастыря была выселена ещё 3 ноября 1919 г. и не имела доступа к мощам. Святейший Патриарх Тихон и наместник архимандрит Кронид обратились к 
священнику Павлу Флоренскому, который в то время работал в Комиссии по охране памятников искусства и старины Троице-Сергиевой Лавры, являясь её учёным секретарём. Он вместе со своим коллегой по работе в Комиссии графом Юрием Олсуфьевым имел доступ ко всем помещениям Лавры. В Троице-Сергиевой лавре состоялось тайное совещание, в котором приняли участие о.Павел, о.Кронид, Ю. Олсуфьев и, вероятно, члены Комиссии граф В. А. Комаровский, а также С. П. Мансуров и М. В. Шик, которые впоследствии стали священниками. Поскольку целиком мощи нельзя было сохранить, было принято решения отделить главу преподобного Сергия, которую заменили на сходный череп одного из князей Трубецких, похороненных в Лавре.Они тайно проникли в Троицкий собор, где, прочитав молитву у раки с мощами преподобного, отделили с помощью копия главу святого. Главу преподобного Сергия Радонежского временно поместили в ризнице. Вскоре граф Олсуфьев переместил её в дубовый ковчег и перенёс к себе домой (Сергиев Посад, улица Валовая). 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. Во время Великой Отечественной войны глава преподобного хранилась в алтаре храма в честь Владимирский иконы Божией Матери в г. Виноградове (сейчас это территория Москвы), под престолом. Там в то время служил духовник Голубцова – схиархимандрит Иларион (Удодов). Вернувшись с фронта, П. А. Голубцов передал ковчег Екатерине Павловне Васильчиковой (приёмной 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.