Сведения о раннем периоде жизни Серапиона отсутствуют. Вероятно, что он учился в Александрийском училище. Некоторое время спустя Серапион стал во главе монастыря. Он был другом преп. Антония Великого и свт. Афанасия Великого, с которым состоял в многолетней переписке. Через несколько лет Серапион был рукоположён в епископы города Тмуита в Нижнем Египте.

В чине епископа Серапион принял участие в Сардикийском соборе, на котором, как и Афанасий, защищал Никейский Символ веры против ариан.

В относительно спокойный период 346–356 гг. Серапион, вероятно, мирно управлял своей епархией. При этом он сохранял тесную связь с преп. Антонием. В 353 году свт. Афанасий отправил Серапиона и ещё четырёх египетских епископов в посольство к римскому императору Констанцию II (римский император в 337–361 годах), чтобы вновь отвести наговоры ариан в свой адрес. Однако посольство не увенчалось успехом и Афанасий был вынужден вновь покинуть Александрию, спасаясь от преследований. Во время своего третьего изгнания святитель продолжал переписку с Серапионом; сохранилось послание Афанасия ему.

Уже после изгнания свт. Афанасия, но не позднее 359 г. Серапион в своей епархии столкнулся с новой ересью: группой христиан, учивших, что Св. Дух есть творение. Желая знать, как вести полемику с ними, Серапион обратился за советом к свт. Афанасию. Тот ответил ему серией посланий.

Перед смертью епископ Серапион под давлением ариан был смещён с кафедры (её занял арианский епископ Птолемей). Преставился Серапион после 362 года.

Серапион пользовался большим духовным авторитетом в Православной Церкви IV века. Его аскетическое наставление Евагрием Понтийским цитируется наравне с изречениями святителей Григория Богослова, Василия Великого и Афанасия Великого. Список его сочинений сохранился у блж. Иеронима Стридонского, согласно которому Серапион «опубликовал превосходную книгу против учения манихеев, а также книгу о надписаниях псалмов и полезные послания к разным лицам». Именем Серапиона Тмуитского надписан сохранившийся в афонской рукописи XI века богослужебный Евхологий. Роль Серапиона в происхождении как отдельных молитв сборника, так и всей компиляции остается непроясненной.

Серапиона Тмуитского нередко путают с преп. Серапионом Синдонитом (день памяти 20 апреля и 27 мая по н.ст), однако они являются разными людьми.

Не включён в месяцеслов Русской Православной Церкви и византийские синаксари, однако имеются данные о почитании его памяти 7 февраля, либо 21 марта.