Сергей Бархин родился в 1938 году в Москве.
С 1956 по 1962 года учился в Московском архитектурном институте. По окончании учебы занимался архитектурой и книжной иллюстрацией; работал в театрах Москвы, Вильнюса, Горького, Свердловска, Саратова, Куйбышева и других. В 1965 году стал членом Союза архитекторов; в 1974 - Союза художников, в 1978 - Союза театральных деятелей.
С 1988 по 1992 года работал главным художником Московского музыкального театра им. Станиславского и Немировича-Данченко. В 1993 году стал лауреатом Государственной премии РФ в области литературы и искусства. С 1995 по 2000 года был художественным руководителем и стенографом Большого театра. Также с 1980-х годов был соавтором спектаклей Генриетты Яновской и Камы Ганкаса Московского Театра юного зрителя.
В 1994 году совместно с Давидом Боровским выступил как автор проекта художественного оформления Музея-квартиры В. Э. Мейерхольда.
В 2011 году стал академиков Российской академии художеств; в 2013 году - членом Союза писателей Москвы.
За время своей карьеры Сергей Бархин оформил более 200 театральных постановок как в городах бывшего СССР, так и заграницей: в Германии, Финляндии, Швеции, Японии, Турции, Чехии. Среди премий и наград художника: премия «Золотая маска» (1995, 2001, 2005, 2011 и 2013), театральная премия «Хрустальный Турандот» (1999, 2010, 2011 и 2016), премия фонда Олега Табакова (1997), Международная премия им. К. С. Станиславского (2002), независимая премия «Триумф» (2004), театральная премия «Чайка» (2006), премия Москвы (2008 ), архитектурная премия «АрхиП» (2009), золотая и серебряная медали Академии художеств Россиии (1991 и 2015), премия Московского комсомольца (2016), премия «Театральный роман» (2018).
Среди книг, изданных с иллюстрациями Сергея Бархина: «У. Шекспир - Король Лир. Мизансцены и образы» (М., 2020), «Книга песней Соломона. Иллюстации и мизансцены» (М., 2019), «Белое по черному. Иллюстрации к дарматическим произведениям серии книг издательства «Искусство» и других издательств 1968-1984 годов» (М., 2017) и другие.
