Сын композитора А.Н. Серова и пианистки В.С. Серовой. Брал уроки рисования у К. Кёппинга в Мюнхене, у И.Е. Репина в Париже и Москве; в 1875 жил в имении С.И. Мамонтова в Абрамцево. Учился в гимназии К.И. Мая, Рисовальной школе у Н.И. Мурашко в Киеве. Вместе с Репиным посетил Крым и Запорожье (1880). Участник поленовских рисовальных вечеров и Абрамцевского кружка. Учился в ИАХ в мастерской П.П. Чистякова, награжден малой серебряной медалью (1885). Покинул ИАХ, не окончив курса; путешествовал с Кёппингом по Голландии и Бельгии; побывал на Русском Севере (1894, вместе с К.А. Коровиным), в Италии, Греции (1907), Испании. Живописец, график, сценограф, керамист, крупнейший мастер русского модерна и импрессионизма, один из ведущих портретистов эпохи. Член ТПХВ, СРХ, Мюнхенского и Венского сецессионов, общества «Свободная эстетика»; член-учредитель «Мира искусства». Экспонент выставок МОЛХ, «36 художников» (1901), Всемирной (Париж, 1900, Гран-при), дягилевских в Европе (1906–1907), Международной (Рим, 1911). Академик ИАХ (1898), член Совета Третьяковской галереи (с 1899). Преподавал в частных школах А.А. Хотяинцевой и Е.Н. Званцевой, в МУЖВЗ (1897–1909), где с 1901 вместе с К.А. Коровиным вел портретно-жанровую мастерскую. Действительный член ИАХ (1903), в 1905 вышел из ИАХ в знак протеста против расстрела рабочей демонстрации. Иллюстрировал издания М.Ю. Лермонтова, А.С. Пушкина, И.А. Крылова, рисовал для журналов «Жупел» и «Жало». В 1909–1910 посещал академии Р. Жюлиана и Ф. Коларосси в Париже, сотрудничал с Русскими сезонами. Работы хранятся в ГТГ, ГРМ, ГМИИ им. А.С. Пушкина и др.