Выдающийся русский живописец и график.
Родился в Санкт-Петербурге в семье композитора А. Н. Серова и пианистки В. С. Серовой. В 1873–1874, после смерти отца, жил с матерью в Мюнхене, где брал уроки рисования у Р. Кеппинга.
В 1874–1875 занимался в Париже у И. Е. Репина. В 1875 вернулся в Россию, жил в Петербурге.
В 1876–1877 переехал в Киев, где занимался в рисовальной школе Н. И. Мурашко, с 1878 г. учился в Москве у Репина, затем в Академии Художеств в Петербурге у П. П. Чистякова.
Первые значительные произведения Серова («Девочка с персиками», 1887; «Девушка, освещенная солнцем», 1888; обе — Третьяковская галерея) выдвинули его в ряд лучших художников России, он стал постоянным экспонентом наиболее важных выставок русского искусства в России и за рубежом. В 1899 г. стал членом объединения «Мир искусства».
Преподавал в Московском училище живописи, ваяния и зодчества (1898–1909). Занимался книжной графикой, иллюстрировал юбилейные издания М. Ю. Лермонтова (1891), А. С. Пушкина (1899), книги Н. Кутепова «Царская и императорская охота на Руси» (начало 1900-х), «Басни» И. А. Крылова (1896–1911).
Экспонировал свои произведения на выставках русского искусства в Париже и Берлине (1906). Выполнял афиши и театральные декорации для Русских сезонов Дягилева в Париже и Лондоне (1909, 1911).
В технике гравюры Серов работал всего 4 года (1896—1899 гг.), но его участие в ней оказалось принципиальным для русской книжной графики, а работы заняли важное место в развитии русского эстампа.
Первые опыты, сделанные в мастерской Матэ, сейчас утрачены или не определены. Тематически офорты Серова весьма разнообразны и в целом отражают сильные стороны его дарования — это портрет (портреты Матэ, Шаляпина в роли Ивана Грозного, автопортрет), жанр аллегорической анималистики (иллюстрации к «Басням» И. А. Крылова), пейзаж (пейзажи Домотканова). Умер в Москве.
В 1980 г. прошла выставка офортов художника в Государственном Русском музее.