С. М. Бархин окончил МАРХИ в 1962 г. После окончания института работал по специальности, но, оставив практические занятия архитектурой, занялся иллюстрированием книг и оформлением спектаклей.

Первые книги и первые спектакли («Баллада о невеселом кабачке» Э. Олби, «Народовольцы» А. Свободина — в «Современнике», 1967 и «Тартюф» Мольера — в театре на Таганке, 1968) осуществил в содружестве с М. Аникстом, после чего началась активная самостоятельная работа. Первым таким проектом стала «Чайка» в «Современнике» в постановке О. Ефремова.

В 70-е годы С. М. Бархин много работал в провинции — Горьком, Свердловске, Саратове, Куйбышеве, оформлял спектакли в Вильнюсе и Москве. С ним активно сотрудничали Р. Виктюк — «Татуированная роза» Т. Уильямса (МХАТ), «Царская охота» Л. Зорина (театр им. Моссовета); В. Фокин — «Кто боится Вирджинии Вульф» Э. Олби (театр «Современник»).

В 80-х гг. С. М. Бархин много работает с К. Гинкасом и Г. Яновской. В 1988–1990 гг. С. М. Бархин — главный художник Музыкального театра им. К. С. Станиславского
и В. И. Немировича-Данченко, в 1995–2000 гг. — главный художник Большого театра. С. М. Бархин — профессор на факультете сценографии в РИТИ (ГИТИС).