Sergey được sinh ra tại Moskva, Nga trong một gia đình người Do Thái, là con trai của 1 nhà toán học và 1 nhà kinh tế học. Năm 1979, khi Sergey lên 6, gia đình anh di cư sang Mỹ. Brin học tại trường điểm Paint Branch Motessori tại Adelphi, Maryland. Tuy nhiên, anh lại học nhiều hơn tại nhà, với người cha là Giáo sư Toán học tại Đại học Maryland, người đã nuôi dưỡng niềm yêu thích toán học ở Sergey. Gia đình cũng giúp anh duy trì được vốn tiếng Nga của anh.

Tháng 11/1990, sau khi vào học tại trường Trung học Eleanor Roosevelt, Sergey đến Đại học Maryland tại College Park để học ngành Toán và Khoa học máy tính. Anh lấy bằng Cử nhân Khoa Học vào tháng 5/1993 loại danh dự. Sau khi tốt nghiệp từ Maryland, Sergey nhận được học bổng tốt nghiệp từ Hiệp Hội Khoa học Quốc gia, cho phép anh học lên Thạc sĩ tại Đại học Stanford.

Sergey nhận bằng Thạc sĩ vào tháng 8 năm 1995, sớm hơn so với chương trình thường lệ. Mặc dù đã được nhận vào học Tiến sĩ nhưng Sergey đã gác lại việc học vô hạn định vì phải làm việc ở Google. Sergey cũng nhận bằng MBA danh dự tại Instituto de Empresa.