Сведения о раннем периоде Серапионовой жизни отсутствуют, но предполагается, что он получил образование в Александрийском училище. Впоследствии он возглавил монастырь и стал близким другом преподобного Антония Великого и святого Афанасия Великого, с которыми поддерживал письменное общение на протяжении многих лет. Несколько лет спустя он был посвящен в епископы города Тмуита в Нижнем Египте.
Во время Сардического собора епископ Серапион вместе с Афанасием поддерживал Никейский Символ веры и выступал против арианства.
В период с 346 по 356 годы, Серапион, вероятно, управлял своей епархией в относительно спокойной обстановке. В то время он поддерживал близкие отношения с преподобным Антонием. В 353 году святой Афанасий послал Серапиона и еще четырех египетских епископов в посольство к римскому императору Констанцию II (римский император в 337-361 годах) для защиты от обвинений со стороны ариан. Однако посольство оказалось неуспешным, и Афанасий вынужден был покинуть Александрию, чтобы спастись от преследований. Во время своего третьего изгнания святитель продолжал переписку с Серапионом; до нашего времени сохранилось его послание.
После изгнания святого Афанасия, но не позднее 359 года, епископ Серапион столкнулся с новой ересью в своей области: группой христиан, которые учили, что Святой Дух является творением. Желая узнать, как вести диспут с ними, Серапион обратился за советом к святому Афанасию. Тот ответил ему серией посланий.
Перед своей смертью епископ Серапион был вынужден уйти с кафедры под давлением ариан. Его место занял арианский епископ Птолемей. Серапион скончался после 362 года.
Серапион был известен своим большим авторитетом в IV веке в Православной Церкви. Его аскетические наставления цитируются наравне с изречениями таких святителей, как Григорий Богослов, Василий Великий и Афанасий Великий. Его сочинения были сохранены блаженным Иеронимом Стридонским, который отмечал, что Серапион написал замечательную книгу против учения манихеев, а также книгу о молитвах псалмов и полезные послания к разным людям. Его имя сохранилось в богослужебном Евхологии, написанном в XI веке. Роль Серапиона в создании как отдельных молитв, так и всего сборника остается неясной.
Серапион Тмуитский часто путают с преподобным Серапионом Синдонитом (его день памяти - 20 апреля и 27 мая по новому стилю), однако они представляют разные личности.
