Сергей Иванович Зимин родился в купеческой семье старообрядцев-беспоповцев. Его отец, Иван Никитич Зимин, был основателем акционерного общества "Товарищество Зуевской мануфактуры И. Н. Зимина". Сергей Иванович учился в Московском коммерческом училище, которое окончил в 1896 году. Он увлекался музыкой и брал уроки пения у различных педагогов.

После окончания училища Сергей Иванович начал заниматься организацией концертов и оперных постановок. В 1902 году он организовал концерты оперной музыки в дачном театре в Кускове, а в 1903 году - общедоступные концерты в Зоологическом саду и Сокольниках. В 1904 году он создал оперную труппу, положившую начало Оперному театру С. И. Зимина, и Музей оперного театрального искусства.

Сергей Иванович Зимин был художественным консультантом МХАТа в 1918 и 1921-1923 годах, а также членом дирекции "Малой государственной оперы" в 1919-1920 годах. В 1922 году он организовал акционерное общество "Первая свободная опера С. И. Зимина", где было поставлено более 20 опер. В 1924-1942 годах он был художественным консультантом филиала Большого театра.

Сергей Иванович Зимин был женат на Антонине Петровне Шувановой, и у них была дочь Ирина Сергеевна Зимина. Он скончался в 1942 году и был похоронен на Преображенском кладбище в Москве. В 1996 году в Москве был проведен Международный конкурс вокалистов памяти Зимина в честь 120-летия со дня его рождения.