Лемешев Сергей Яковлевич родился 10 июля 1902 года в деревне Старое Князево Калининской области в бедной батрацкой семье. Еще мальчиком он ездил в Петербург учиться сапожному ремеслу, а уже после революции поступил в кавалерийскую школу. Оттуда он был командирован в Московскую консерваторию. Молодому певцу удалось поработать и в оперной студии под руководством К.С. Станиславского.
Дебют Лемешева состоялся в 1926 году, в Свердловском театре оперы и балета, год спустя он успешно исполнял сольные партии в Русской опере при КВЖД в Харбине, а с 1928 года выступал на оперных сценах Тбилиси.
Коренным переломом в творческой деятельности певца стало поступление на работу в Большой театр в 1931 году. Здесь он исполнял партии Берендея ("Снегурочка"), Левко ( "Майская ночь"), Звездочета ("Золотой петушок"), Индийского гостя ("Садко"), Владимира Игоревича ( "Князь Игорь"), Герцога ("Риголетто"), Альфреда ("Травиата"), Альмавива ("Севильский цирюльник") и др.
Известность и зрительскую любовь Лемешеву принесла партия Ленского в опере П.И. Чайковского "Евгений Онегин", которую он исполнил 500 раз, в том числе и в день своего 70-летия. "Ленский целиком заполнил мою жизнь, - говорил артист. - Из моих более чем тридцати ролей эта - самая дорогая, любимая, самая большая радость моего творчества". Его голос, лирический тенор редкой красоты и обаяния, был словно создан для образа юного влюбленного поэта. "Поклонник Канта и поэт" стал верным спутником певца на протяжении всей жизни.
Лемешев был единственным, кто в цикле из пяти концертов исполнил абсолютно все романсы Петра Ильича Чайковского, открыв для слушателей удивительный мир камерного творчества великого русского композитора.
В конце 1948 года в Ленинградском Малом оперном театре Лемешев познакомился с Верой Николаевной Кудрявцевой, в то время уже певшей ведущие партии (в "Евгении Онегине" он исполнял партию Ленского, а она - Татьяны). Впоследствии она стала его второй женой.
В 1951 году на сцене Малого оперного театра была поставлена опера Верди "Травиата", где Лемешев впервые выступил в незнакомой ему роли оперного режиссера. В 1957 году он повторил свой режиссерский опыт, поставив оперу Массне "Вертер" в Большом театре.
C 1959 по 1961 год Лемешев руководил оперной студией при Московской консерватории.
В жизни Сергея Лемешева были не только оперные, но и кинематографические роли - он снимался в фильме "Музыкальная история" (1940) в роли таксиста-самородка.