Après un passage à l'école de peinture, de sculpture et d'architecture de Moscou, dont il sort avec un diplôme d'architecture, Sergueï Pimenov arrive en France autour des années 1920. Il participe au flux d'émigration que l'exil artistique et intellectuel a formé, d'abord en tant qu'assistant puis comme chef décorateur. Le Napoléon vu par Abel Gance (1927) sera pour Serge Pimenoff l'opportunité de travailler avec Alexandre Benois - décorateur des Ballets russes de Diaghilev (illustrateur et historien d'art), Alexandre Lochakoff, Georges Jacouty, Vladimir Meinhardt (tous formés à l'Albatros) et surtout avec Pierre Schildknecht, chef décorateur pour ce film d'Abel Gance, qu'il retrouvera dans L'Âge d'or, de Luis Buñuel (1930) et Les Bateliers de la Volga, de Wladimir Strijewsky (1935).
C'est dans les années 1930 que la carrière de Serge Pimenoff s'envole : il signe les décors de 34 films, parmi lesquels Les Yeux Noirs (1935) de Victor Touriansky, Mayerling (1936) d'Anatole Litvak, en collaboration avec un autre célèbre décorateur, André Andrejew. Dans cette période où l'esthétique des studios est prépondérante, Serge Pimenoff met ses qualités d'architecte au service de la réalisation d'un décor qui se voulait à la fois réaliste et poétique. Serge Pimenoff détourne les contraintes imposées par les espaces étroits proposés par les studios, à travers l'utilisation des trucages - notamment la maquette "plastique" construite en relief et filmée avec le procédé par caches mise au point par Nicolas Wilcke et Paul Minine en 1924 et en 1931 - et par des recherches iconographiques très fournies afin de parvenir à une sélection minutieuse des éléments les plus symboliques à reconstituer une époque, une idée, une atmosphère. Ce style marque le début de sa collaboration avec des cinéastes tels qu'Anatole Litvak, Victor Tourjansky, Pierre Chenal, Julien Duvivier, Marcel L'Herbier, Jacques De Baroncelli, Auguste Genina et se poursuit dans les années 1940-1950 avec Jean Delannoy, Jean-Paul Le Chanois, Henri Decoin, Robert Hossein, Henri Calef et enfin avec Helmut Käutner pour Sans tambour ni trompette / Une fleur au fusil (Die gans von Sedan, 1959). Ce sera son dernier film. A sa mort en 1960, sa filmographie compte quelque 71 titres, et son expérience lui a permis de former d'autres décorateurs français, parmi lesquels Max Douy, François de Lamothe ou Pierre Duquesne.
La Cinémathèque française a acquis vingt carnets de Serge Pimenoff, constitués d'une prodigieuse documentation (photos, croquis, dessins, textes, notes...) couvrant une partie de son activité de décorateur. Un témoignage inestimable de ses méthodes de travail. Elle a également acquis 845 dessins constitués de croquis et de maquettes de décors, dont Serge Pimenoff est l'auteur.
Comme ses compatriotes décorateurs - Lazare Meerson, Andrej Andreiev, entre autres - Serge Pimenoff, participera, avec ses amis Georges Artemoff, Sandro Minervine, Lydia Nicanorova et Semianovsky, à la création de fresques murales, notamment celles des cafés-concerts parisiens, dont le célèbre Caveau Caucasien, à Montmartre.