Поступил в Московский государственный университет (МГУ) в возрасте 16 лет. Несмотря на малый возраст, стал студентом. Первая научная работа была по абстрактной алгебре. В возрасте 19 лет доказал некоторые новые результаты в теории бесконечных абелевых групп, которые были изданы в его первой статье.
В 1939 окончил МГУ и начал работать в МГУ под руководством А. Н. Колмогорова. Нашёл более простое доказательство необходимых и достаточных условий компактности для хаусдорфовых пространств, что явилось предметом его второй статьи.
Защитил кандидатскую диссертацию в Математическом институте им. В. А. Стеклова (1942). После окончания войны С. В. Фомин вернулся в МГУ, где защитил докторскую диссертацию в 1951 году, в 1953 году стал профессором.
В 1964 году стал профессором кафедры теории функций и функционального анализа, а в 1966 году — профессором на кафедре общих проблем управления мехмата МГУ.
Основные работы С. В. Фомина посвящены топологии, динамическим системам в функциональных пространствах, применению теории бесконечномерных представлений групп Ли к теории динамических систем.
С 1959 года начал заниматься математической биологией (в том числе моделями нейронов, рецепторами зрительной системы, вопросами искусственного интеллекта и роботами). В 1973 году опубликовал в соавторстве с М. Б. Беркинблитом книгу «Математические проблемы в биологии», в которой отражены результаты их работы в этой области.
Фомин известен также как талантливый педагог — его совместная с Колмогоровым книга «Элементы теории функций и функционального анализа» стала классической.