Es hijo del famoso compositor ruso Alexander Serov. Entre sus maestros están el célebre Iliá Repin, con el que se forma en París y Moscú (1874-1875, 1878-1880) y Pavel Chistyakov, con el que estudia en la Academia Imperial del Arte (1880-1885). A él se deben algunas de las obras cimeras del impresionismo ruso como Muchacha con melocotones (1887), Muchacha iluminada por el sol (1888) o Niños (1899). En la década de los noventa se convierte en uno de los retratistas de moda e inmortaliza, entre otros, a la actriz Maria Yermolava, a la princesa Olga Orlova o a I. A. Morozov. Admirador de Velázquez, al igual que otros impresionistas rusos de su generación, su pintura rezuma frescura y luminosidad. Entre 1897 y 1909 imparte clases en la Escuela de Pintura, Escultura y Arquitectura de Moscú. También es autor de decorados para el teatro en Moscú y San Petersburgo y para los Ballets Rusos de Serge Diaghilev. Fue Académico de la Pintura (1898), miembro de pleno derecho de la Academia Imperial del Arte (1903- 1905), miembro del círculo de Abramtsevo, de la Asociación de Exposiciones de Arte Ambulante (desde 1894), de la Sezession de Munich (1899), de El Mundo del Arte (1900, socio fundador 1910) y de la Unión de Artistas Rusos (1903).