В 1904 году Сергей Иванович на свои средства организовал в Москве частный оперный театр, получивший название Оперный театр Зимина. Как писал сам Зимин, его целью было "создать театр, не преследующий цели наживы, а только цели художественного исполнения, дать чудесный подбор певцов...". И действительно, цены на билеты были очень небольшими.
Родился в селе Зуево (Богородский уезд, Московская губерния) 8 (20) июня 1875 в купеческой семье старообрядцев-беспоповцев (федосеевского старопоморского согласия). Его отец – Иван Никитич Зимин (1818–1887) – был основателем (1884) крупнейшего в России акционерного общества «Товарищество Зуевской мануфактуры И.Н.Зимина». В 1896 Сергей Зимин окончил Московское коммерческое училище; брал частные уроки пения (обладал хорошим басом-кантанто). С начала 1890-х годов начал посещать Частную русскую оперу С.И.Мамонтова, принимал участие в вечерах вокальной музыки известного московского вокального педагога Н.П.Миллера. После ареста Мамонтова в 1899 М.М.Ипполитов-Иванов предложил Зимину возглавить оставшуюся без попечителя оперную труппу, но Зимин, не считая себя готовым к этому, отказался, однако впоследствии видел себя продолжателем традиций мамонтовской оперы. В 1902 в дачном театре в Кускове организовал своё первое предприятие – концерты оперной музыки. С начала 1903 устраивал общедоступные концерты в Зоологическом саду, затем в Сокольниках, на небольшой эстраде Общества народных развлечений. Летом того же года организовал оперные постановки в саду «Гай» в Кускове и вскоре стал одним из пайщиков оперной антрепризы известного оперного певца М.Е.Медведева. В 1904 отправился за границу изучать театральное дело. Побывал в Париже, Берлине, Неаполе, Милане и по возвращении организовал собственный частный театр – «Опера С.И.Зимина», ставший крупнейшим в России. Открытие театра состоялось 1 (14) октября 1904 на сцене театра «Аквариум» представлением оперы Майская ночь Н.А.Римского-Корсакова. Театр стал сосредоточением лучших художественных сил Москвы. Здесь работали режиссёры А.В.Ивановский, А.П.Петровский, Ф.Ф.Комиссаржевский, с 1907 главным режиссёром был П.С.Оленин; музыкальное руководство осуществлял М.М.Ипполитов-Иванов, дирижерами театра были Э.А.Купер, А.М.Пазовский, И.О.Палицын, М.М.Багриновский и др.; декорационно-художественное оформление спектаклей осуществляли И.Я.Билибин, П.П.Кончаловский, А.М.Васнецов, С.Ю.Судейкин, Н.К.Рёрих, В.Д.Поленов, А.Я.Головин, В.А.Серов, Ф.Ф.Федоровский, А.И.Маторин, И.А.Мамотин, И.С.Федотов и др. В сезоны 1915/16 и 1916/17 в театре пел Ф.И.Шаляпин, в ряде спектаклей участвовал Л.В.Собинов; по приглашению Зимина здесь выступали зарубежные певцы – Т.Руффо, Д.Ансельми, Л.Кавальери, дирижеры – Э.Колонн (1907), Б.Вальтер (1914) и др., много лет в театре пел итальянец М.Баттистини; в 1915 на сцене театра танцевала М.Ф.Кшесинская, в 1916 с балетной труппой приезжал М.М.Фокин. Стремясь перенести в Москву новейшие достижения Европы, как в отношении репертуара, так и организации театрального дела, Зимин с сотрудниками в 1904–1914 неоднократно совершал поездки за границу. В 1908 специально для работы с молодыми певцами открыл в Москве театр «Орион» (как филиал «Оперы Зимина»). Во время Первой мировой войны, в 1914, в Москве Зимин организовал госпиталь, где за ранеными ухаживали артисты и сотрудники его театра. В 1916 была открыта Оперная студия, где подготовка певцов велась по методике, разработанной самим Зиминым.
Вторая важнейшая сфера деятельности Зимина связана с основанием им в 1904 Музея оперного театрального искусства (в 1925 директором музея стала дочь известного журналиста и писателя Н.В.Гиляровская). Экспонатами музея стали работы всех художников «Оперы Зимина»: свыше 1000 эскизов костюмов и декораций, множество макетов, афиш, костюмы, сшитые в мастерской театра, а также майолика, которую Зимин приобретал в Абрамцеве у Мамонтова. Кроме того, он собрал обширную коллекцию живописных полотен (ок. 200), главным образом русских художников; ныне картины рассредоточены по разным музеям, в числе которых Государственная Третьяковская галерея, где ныне находится приобретённое Зиминым в 1908 у Мамонтова и висевшее некогда в 1908–1929 на портале театра Зимина, ныне отреставрированное панно М.А.Врубеля Принцесса Грёза.
В 1917 Зимин вынужден был передать свой театр в ведение Совета рабочих и крестьянских депутатов и стал называться Театр Совета рабочих депутатов, с 1919 – Малая государственная опера, с 1921 – Театр музыкальной драмы). Музей Зимина был национализирован, а Оперная студия ликвидирована; недвижимое имущество Зимина конфисковано (в том числе снимавшаяся для его музея квартира).
В 1918–1922 заведовал нотной библиотекой музыкальной студии Московского художественного театра, с 1919 одновременно был членом дирекции Малой государственной оперы (бывшей «Оперы Зимина») и директором своего бывшего музея (собрание музея с 1925 находится в запасниках Государственного центрального театрального музея им. А.А.Бахрушина).
В 1922 Зимину удалось организовать акционерное общество «Первая свободная опера С.И.Зимина» (фактически восстановить бывшую «Оперу Зимина»), где за два года было поставлено свыше 20 опер. В 1924 театр был закрыт, труппа предана суду (однако после следствия оправдана за отсутствием состава преступления), была конфискована коллекция картин Зимина.
Позднее Зимин работал инспектором сцены Большого театра, затем помощником механика по монтировочной части, одновременно являясь членом художественного совета театра. С 1936 и до конца жизни оставался художественным консультантом Большого театра. Умер Зимин в Москве 26 июля 1942.
В 1996 в Москве был проведён Международный конкурс вокалистов памяти Зимина и в честь 120-летия со дня его рождения.
В Государственном центральном музее музыкальной культуры им. М.И.Глинки при участии внучки Зимина – Веры Михайловны Зиминой – ведется работа по изданию его дневников.