Родился 31 марта 1938 года в Москве в семье потомственных архитекторов.

В 1962-м окончил Московский архитектурный институт. Занимался книжной иллюстрацией. Первая работа как театрального художника — спектакль театра «Современник» «Баллада о невеселом кабачке». Работал с крупнейшими отечественными режиссерами второй половины XX века: О. Ефремовым, Ю. Любимовым, Р. Виктюком, В. Фокиным, К. Гинкасом, М. Карбаускисом. Был главным художником Музыкального театра им. Станиславского и Немировича-Данченко, затем главным художником Большого театра. Постоянный соавтор режиссеров Г. Яновской и К. Гинкаса, вместе с ними создал более 30 спектаклей в разных странах мира. В настоящее время главный художник Московского театра юного зрителя. Пятикратный лауреат национальной театральной премии «Золотая маска», трехкратный лауреат премии «Хрустальная Турандот», а также лауреат множества отечественных и зарубежных премий. Создатель факультета сценографии ГИТИСа и кафедры сценографии на этом факультете. Среди учеников Сергея Бархина десятки успешных и востребованных мастеров.

Первой работой в нашем театре стал спектакль «Прощайте… и рукоплещите!» в постановке О. Табакова. Затем Бархин оформил спектакль К. Гинкаса «Комната смеха» и спектакль М. Карбаускиса «Похождение, составленное по поэме Н.В. Гоголя «Мертвые души».