Будущий миллиардер родился в Москве в 1973 году в еврейской семье. Родители Сергея были математиками, окончившими МГУ. В 1977 году Брин-старший впервые побывал заграницей, посетив научную конференцию в Польше. Жизнь за рубежом произвела на молодого математика сильное впечатление и по приезду домой он принял решение покинуть СССР.
После того, как намерение молодой семьи перебраться в США получило огласку, отец и мать Сергея были уволены с работы и до отъезда были вынуждены перебиваться случайными заработками.
Семья Бринов смогла выехать в США в 1979 году, когда Сергею исполнилось 6 лет. Брины поселились в штате Мэриленд, где Сергей начал посещать школу при еврейской общине. Но, учеба не нравилась мальчику, который из-за акцента стал объектом насмешек и издевательств со стороны одноклассников. Кроме того, маленький иммигрант постоянно скучал на уроках, так как программа обучения была гораздо слабее, чем та, по которой он дома занимался с отцом.
Со временем родители перевели Сергея Брина в школу Монтессори, где главный упор был сделан на саморазвитии ребенка и реализации его индивидуальности. Однако, отец продолжил заниматься с сыном математикой, которая стала важной частью его обучения. Отец также способствовал пробуждению интереса к программированию – в начале восьмидесятых Сергей получил в подарок персональный компьютер, который в то время был редкостью даже в американских семьях.
В 1990 году Сергей закончил Eleanor Roosevelt High School (государственную среднюю школу, специализирующуюся на математике, науке и инженерии) и поступил в Мэрилендский университет на специальность «Математика и вычислительные системы», посвятив себя исследованиям в области сбора научных данных из текстов, больших информационных массивов и неструктурированных источников. Талантливый студент, получавший во время учебы стипендию от Национального научного фонда США, смог досрочно закончить бакалавриат и получить диплом.