Сергей Дмитриевич Варфоломеев родился 17 августа 1945 года в городе Кургане Курганской области РСФСР.
В 1968 году — окончил химический факультет МГУ.
В 1971 году — защитил кандидатскую диссертацию, тема: «Регулирование светом каталитической активности ферментов» .
В 1979 году — защитил докторскую диссертацию, тема: «Биоэлектрокатализ» .
В 1982 году — присвоено учёное звание профессора.
С 1982 года — работает в должности профессора, а с 1987 года по настоящее время — заведующий кафедрой химической энзимологии химического факультета МГУ.
С 1979 по 2001 годы — заведующий отделом биокинетики НИИ физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского.25 мая 2006 года — избран членом-корреспондентом РАН.Делегат IV съезда биофизиков России (20—26 августа 2012 года, г. Нижний Новгород).
До 9 июня 2015 года работал директором Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН. Область научных интересов: молекулярные основы биологического катализа, биокинетика и химическая энззимология. Механизмы ферментативных реакций, гетерогенный катализ на основе иммобилизованных ферментов и клеток, биоэлектрокатализ, возобновление энергетических источников, физиологически активные соединения (простагландины, тромбоксаны, лейкотриены).
На химическом факультете МГУ читает курсы «Современные проблемы биохимии и биотехнологии» , «Современные проблемы нанобиотехнологии» , «Кинетика сложных биохимических процессов» , «Биотехнология и прикладная биохимия» , «Химические основы жизни» .Соавтор открытия «Свойство ферментов участвовать в переносе электронов (биоэлектрокатализ)» (1985).Имеет 47 патентов и авторских свидетельств.Автор 638 статей, 25 книг, 211 докладов на конференциях, 154 тезисов докладов.Основные труды.[показать]Основной источник: «Наркомания: нейропептид-морфиновые рецепторы» (соавт., 1993);«Основы ферментативного катализа» (соавт., 2001);«Жизнь молекул в экстремальных условиях. Горячий микромир Камчатки» (2013);«Физическая химия биопроцессов» (соавт., 2014);«News in Chemistry, Biochemistry and Biotechnology: State of the Art and Prospects of Development» (соавт., 2014);учебник «Химическая энзимология» (2005);Учебные пособия: «Биокатализ: история моделирования опыта живой природы» (соавт., 1984);«Биотехнология: кинетические основы микробиологических процессов» (соавт., 1990);«Биокинетика. Практический курс» (соавт., 1999);«Возобновляемые источники энергии: Курс лекций» (соавт., 2010).