Родился 14 июня 1951 г. в г. Горьком (ныне - Нижний Новгород).
В 1974 г. окончил Горьковский политехнический институт им. А. А. Жданова по специальности "инженер-электрик" (ныне - Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева).
Доктор экономических наук. В 1999 г. в Санкт-Петербургском государственном университете защитил диссертацию на тему "Стратегия государственного регулирования экономики в переходный период: Россия 90-х годов".
Профессор.
В 1968–1969 гг. работал слесарем-испытателем Специального конструкторского бюро производственного объединения (ПО) "Завод имени В. И. Ульянова" (Горький).
После окончания института Сергей Митин вернулся на завод. С 1974 г. работал помощником мастера и мастером производства, с 1977 г. - заместителем начальника, а с 1979 г. - начальником производства. В 1980 г. возглавил производственно-диспетчерский отдел, в 1982 г. - отдел материально-технического снабжения. Спустя год был назначен заместителем генерального директора по коммерческим вопросам, в 1985 г. - главным инженером и первым заместителем гендиректора. В 1989 г. занял должность генерального директора ПО "Завод имени В. И. Ульянова" (с 1993 г. — ОАО "Термаль").
17 декабря 1995 г. избран депутатом Государственной думы РФ II созыва по списку блока "Наш дом - Россия" (НДР). В 1996-1997 гг. - заместитель председателя комитета Госдумы по экономической политике, входил во фракцию НДР. Депутатские полномочия были прекращены досрочно 16 января 1998 г. в связи с переходом на госслужбу.
С 21 ноября 1997 г. по 30 июня 2000 г. - заместитель министра экономики РФ Якова Уринсона в правительствах Виктора Черномырдина и Сергея Кириенко. Сохранил этот пост в кабинетах министров Евгения Примакова, Сергея Степашина и Владимира Путина (министром экономики являлся Андрей Шаповальянц).
30 июня 2000 г. Сергей Митин был назначен заместителем министра промышленности, науки и технологий РФ в правительстве Михаила Касьянова (с марта 2004 г. - Михаила Фрадкова). Министерство в эти годы возглавляли Александр Дондуков, Илья Клебанов и Андрей Фурсенко.
6 июля 2004 г. занял пост заместителя министра сельского хозяйства РФ Алексея Гордеева в кабинете министров Михаила Фрадкова.
3 августа 2007 г. указом президента России Владимира Путина был назначен врио губернатора Новгородской области. Сменил на этом посту Михаила Прусака. 7 августа того же года депутаты Новгородской областной думы единогласно наделили Сергея Митина полномочиями главы региона по представлению главы государства.
На выборах в Госдуму РФ V созыва 2 декабря 2007 г. возглавлял региональный список кандидатов от "Единой России" от Новгородской области, однако после прохождения партии в парламент от депутатского мандата отказался.
7 августа 2012 г. в связи с истечением срока полномочий Сергей Митин был назначен врио губернатора Новгородской области (указ вступил в силу с 8 августа).
На выборах в Госдуму РФ VI созыва 4 декабря 2011 г. возглавил региональный список кандидатов партии "Единая Россия" от Новгородской области. В парламент прошел, но от депутатского мандата вновь отказался.
14 октября 2012 г. победил на выборах губернатора Новгородской области, получив 75,95% голосов избирателей (баллотировался от партии "Единая Россия"). Его ближайший соперник, кандидат от партии "Патриоты России" Николай Захаров, набрал 10,63%. 20 октября того же года Сергей Митин официально вступил в должность.
В рейтинге эффективности глав российских регионов, составленном Фондом развития гражданского общества и опубликованном в июне 2016 г., входил во вторую группу руководителей субъектов РФ (так называемый "высокий рейтинг"). Занимал 51-е место, получив 59 баллов.
18 сентября 2016 г. на выборах депутатов Новгородской областной думы VI созыва возглавлял региональный список кандидатов партии "Единая Россия". В парламент прошел, но от депутатского мандата отказался.
13 февраля 2017 г. президент РФ Владимир Путин принял досрочную отставку Сергея Митина с поста губернатора Новгородской области. Врио губернатора был назначен Андрей Никитин, гендиректор Агентства стратегических инициатив.
15 октября 2017 г. губернатор Новгородской области Андрей Никитин подписал постановление о наделении Сергея Митина полномочиями члена Совета Федерации РФ от исполнительной власти региона.
Общая сумма декларированного дохода за 2017 г. составила 2 млн 337 тыс. руб., супруги - 1 млн 536 тыс. руб.
Общая сумма декларированного дохода за 2018 г. составила 5 млн 156 тыс. руб., супруги - 366 тыс. руб.
Награжден орденами Дружбы (2006), "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2013), Почетными грамотами правительства РФ (2001) и президента РФ (2016). Имеет благодарность правительства РФ (2020).
Заслуженный машиностроитель РФ (1992). Почетный металлург (2001; почетное звание Министерства промышленности и торговли РФ).
Почетный работник агропромышленного комплекса России (2011).
Лауреат премии правительства РФ в области науки и техники за 2003 г. за разработку и организацию серийного производства высокопроизводительного металлорежущего оборудования для высокоскоростной обработки сверхсложных корпусных деталей (2004).
Женат. Супруга - Вера Ивановна, по специальности врач-эпидемиолог. Дочь Наталья - адвокат.