Земли по южному побережью Невской губы, заселенные прибалтийско-финскими племенами ижора и водь, в XII в. вошли в состав владений Великого Новгорода. Дудоровский погост Ореховского уезда, куда относилась территория «Сергиевки», в 1477-1478 гг. вместе с другими новгородскими землями был присоединен к Московскому княжеству. Новгородские писцовые книги конца XV в. зафиксировали многочисленные малодворные деревни и довольно высокую степень сельскохозяйственной освоенности на землях к югу от Финского залива. С 1617 г. Ижорская земля вошла в состав владений Швеции под названием Ингерманландия. Из шведских карт 1670-1680-х гг. следует, что сельскохозяйственные угодья располагались и на территории «Сергиевки» вблизи бровки литоринового уступа.

Фрагмент карты 1796 г. После присоединения Ингерманландии к России в результате Северной войны, земли вдоль южного побережья Финского залива начали раздавать членам царской фамилии и приближенным Петра I. Имение «Сергиевка» сложилось из трех петровских «приморских мест», одно из которых входило в состав дачи Алексея — сына Петра I, затем перешло во владение Петра Алексеевича — внука Петра I, а потом к А. И. Румянцеву, в прошлом денщику императора. Две другие вошедшие в состав «Сергиевки» дачи были частью большого имения, принадлежавшего князю В. Л. Долгорукову. В 1730 г. все дачи Долгорукова были конфискованы, часть из них также перешла в собственность А. И. Румянцева, к тому времени уже графа. После его смерти объединенная дача перешла к сыну, выдающемуся полководцу П. А. Румянцеву-Задунайскому, а от него по наследству досталась младшему сыну Сергею Петровичу. Предполагают, что название усадьбы дано по имени С. П. Румянцева. Усадебный дом Румянцевых находился рядом с нынешним дворцом герцога Лейхтенбергского, у бровки литоринового уступа; между дворцом и восточной границей имения были расположены службы. Западная часть нынешнего парка «Сергиевка» в течение 1738-1822 гг. многократно меняла своих владельцев; последней среди них была баронесса Икскюль. В 1822-1823 гг. дачи Румянцева и Икскюль были куплены К. А. Нарышкиным, обер-гофмаршалом двора Николая I. Нарышкин вложил значительные средства в обустройство поместья.

Фрагмент карты 1834 г. В 1839 г. имение было приобретено у наследников Нарышкина в качестве свадебного подарка дочери Николая I великой княгине Марии Николаевне, выходящей замуж за герцога Максимилиана Лейхтенбергского, внука первой жены Наполеона Жозефины Богарне. К этому времени, кроме большого господского дома, в усадьбе было построено несколько каменных и деревянных флигелей и павильонов. В 1839-1840-х гг. в усадьбе проводились масштабные работы по созданию нового дворцово-паркового ансамбля. Ими руководили архитектор А. И. Штакеншнейдер и садовый мастер П. И. Эрлер. На месте усадебного дома Румянцевых был возведен дворец в стиле античных вилл, окруженный портиками и перголами; от дворца широкий луг открывал перспективу на Финский залив. У подножья литоринового уступа был сделан фонтан. На верхней террасе устроены каскады прудов с плотинами и мостами, на склонах оврагов — гранитные лестницы. На месте старых служб, к юго-востоку от дворца, возвели несколько служебных корпусов, смотрительские дома, экипажные сараи. К юго-западу от дворца за счет подсыпки грунта сформировали партер с обширным лугом, длиной почти 200 м. На краю луга, примыкавшем к оврагу, построили Чайный павильон, а в юго-восточном углу луга — церковь св. Екатерины, впоследствии именуемую Капеллой. В западной части имения, вблизи западного оврага были построены Банный и Английский домики, оранжереи и ферма в форме каре, сложенная из крупных валунов. В парке были установлены многочисленные статуи и «семейные» памятники; герцог М. Лейхтенбергский, будучи президентом Академии художеств, стремился превратить «Сергиевку» в «приют муз».

В парке были высажены тысячи деревьев местных широколиственных пород (дуб, липа, клен, ясень), а также экзоты — лиственница сибирская, пихта сибирская, ряд видов декоративных кустарников. В результате породный состав хвойных лесов, существовавших на территории до середины XIX в., существенно изменился. Были проложены пейзажные дороги и дренажная сеть. В 1864 г. южная часть имения была отсечена вновь построенной железной дорогой Лигово — Ораниенбаум.

План-карта «Сергиевки», 1925 г. Дворцово-парковый ансамбль Сергиевки до 1917 г. сохранялся в том виде, какой он приобрел в середине XIX в. После революции в имении была организована «Детская коммуна». В 1920 г. по инициативе ученых-биологов Петроградского университета «Сергиевка» со всеми постройками была передана Петергофскому естественно-научному институту Петроградского университета (с 1930 г. — Биологический НИИ Ленинградского университета). В настоящее время здесь размещены многочисленные научные лаборатории биологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Еще в довоенные годы парк и его скульптурное убранство значительно пострадали, некоторые постройки (например, Чайный павильон) были разрушены. В годы Великой Отечественной войны «Сергиевка» находилась на передовой линии обороны Ораниенбаумского «пятачка». В результате обстрелов, бомбежек, пожаров, рубок, фортификационных работ было утрачено, согласно послевоенным наблюдениям, до 60 % древостоя, появились многочисленные воронки от бомб и снарядов. Большой ущерб был причинен дворцу герцога Лейхтенбергского и другим постройкам, уничтожено научное оборудование Биологического НИИ.

С 1947 г. началось восстановление института. Дворец реставрировался в 1965 и 1971-1974 гг., восстановлены и некоторые другие здания. К настоящему времени полностью утрачены церковь св. Екатерины, Китайский домик, водоподъемная машина и католическая капелла на береговом валу нижней террасы. С 1982 г. начаты реставрационные работы в парке: проведены восстановление прудов, плотин, дренажной системы, санитарные рубки поврежденного древостоя. В период существования БиНИИ ЛГУ видовой состав растительности парка «Сергиевка» существенно обогатился за счет высаживания растений, привезенных с Кавказа, Дальнего Востока, Средней Азии и других регионов.

Дворцово-парковый ансамбль «Сергиевка» в составе ансамблей Петергофской дороги включен в список Всемирного наследия ЮНЕСКО.