Сергей Ильменский — сын псаломщика из села Содом Саратовской губернии. Отец его рано умер. В 1882 году 15-летний Сергей Ильменский окончил Саратовское духовное училище, в 1888 году — Саратовскую духовную семинарию и поступил в Казанскую духовную академию. Закончил академический курс в 1892 году со степенью кандидата богословия, определён преподавателем педагогики в Саратовское епархиальное женское училище, где служил до 1900 года.

В 1894 году рукоположен во священника епископом Саратовским Николаем (Налимовым) и 7 октября этого же года назначен законоучителем Саратовского Александро-Мариинского реального училища и настоятелем училищной домовой церкви. С 24 октября 1895 года — член Саратовского епархиального училищного совета. С 20 сентября 1902 года — председатель Совета Саратовского епархиального женского училища.

К этому времени овдовел, имел дочь.

С 1 сентября 1907 года — законоучитель Саратовского Мариинского института благородных девиц, настоятель институтской церкви. С 15 мая 1909 года исполнял обязанности благочинного домовых церквей города Саратова. Состоял цензором проповедей. Пастырское обращение его всегда было прямо. Так, он сказал по поводу убийства в Киеве Петра Столыпина: «Опять Иродиада беснуется, опять революционная, жидомасонская гидра требует главы слуг государевых!».

25 мая 1911 года возведен в сан протоиерея епископом Саратовским Гермогеном. С 4 сентября этого же года исполнял обязанности редактора Саратовского духовного вестника.

31 августа 1913 года, согласно прошению, зачислен в братство Валаамского монастыря. 14 августа 1914 года пострижен в монашество игуменом Маврикием, настоятелем Валаамского монастыря. 14 сентября этого же года возведен в сан архимандрита епископом Сердобольским Серафимом в Рождественском соборе 8-го Финляндского стрелкового полка. С 12 августа 1914 года — смотритель Балашовского духовного училища. Открыл в Балашовском уезде миссионерские курсы, чтобы миряне имели возможность «научиться давать отчёт в своем уповании, а в случае нужды — отпор врагам церкви православной».

С 10 сентября 1916 года — ректор Пермской духовной семинарии. Простота и сердечность, отеческая забота о нуждах своих учащихся стяжали архимандриту Феофану общую любовь, несмотря на короткое время его службы в семинарии.

26 февраля 1917 году хиротонисан во епископа Соликамского, викария Пермской епархии. После хиротонии, желая ближе познакомиться с приходами епархии и паствой, он обошел свое викариатство пешком. Современники свидетельствовали, что епископ был великим молитвенником и постником и, подобно архиепископу Пермскому Андронику, бесстрашным обличителем безбожия.

Во время пребывания архиепископа Андроника на Поместном Соборе Церкви, в августе-декабре 1917 года и в январе-апреле 1918 года, исполнял его обязанности по управлению епархией. 4 февраля 1918 года возглавил в Перми небывалый по многолюдству крестный ход, устроенный в связи с гонениями на Церковь. Вернувшись в Соликамск, Владыка Феофан продолжил свое стояние за Святую Церковь и всячески увещевал духовенство не проявлять молчаливую покорность насильникам и грабителям.

В 1918 году волостной земельный отдел просил Соликамский Троицкий монастырь прислать планы сенокосных лугов, принадлежащих монастырю. Епископ Феофан ответил: «Предстанет Страшному суду Всемогущего Бога всякий, кто осмелится для чего-либо захватить принадлежащие церкви земельные угодья и какое-либо достояние Церкви Божией. Без разрешения власти архиерея, Преосвященного Андроника, не имею права разрешать высылать планы…». Он знал, что не для раздачи бедным, не на поддержание неимущих пойдет церковное имущество, а для дальнейшего разграбления и разрушения Отечества.

После ареста 17 июня 1918 года архиепископа Андроника переехал в Пермь и 22 июня принял управление Пермской епархией.

Арестован в конце лета 1918 года. За несколько дней до взятия Перми войсками армии Колчака, 24 декабря 1918 года вместе с двумя священниками и пятью мирянами принял мученическую смерть: в тридцатиградусный мороз на берегу реки Камы владыку Феофана многократно окунали в прорубь живым, после чего утопили.