Родился в 1917 году в поселке Туринские рудники Уральской (Екатеринбургской) области. Отец - Мишарин Дмитрий Михайлович (1890-1977), специалист по редким и цветным металлам, работал горным инженером на шахтах Сибири, обогатительной фабрике в Казахстане, на медеплавильных и чугунно-литейном производствах Урала. С 1931 года - преподаватель-доцент Московского института цветных металлов и золота, кандидат технических наук. Мать - Мишарина Лидия Константиновна (1890-1973), преподавала в школе русский язык. Супруга - Ольга Павловна (1921 г. рожд.), окончила Московский историко-архивный институт. Участница Великой Отечественной войны. Дочери: Мишарина Валентина Сергеевна (1944 г. рожд.), окончила Московский архитектурный институт, работала в ЦНИЭП Градостроительства; Мишарина Лидия Сергеевна (1946 г. рожд.), окончила МГУ имени М.В. Ломоносова, по специальности - историк искусства, более 25 лет работает в Главном управлении охраны памятников города Москвы. Внучки: Екатерина (1967 г. рожд.), физик, работает в Институте радиотехники и электроники Российской академии наук; Елена (1971 г. рожд.), выпускница Института международного права и экономики имени А.С. Грибоедова; Ольга (1972 г. рожд.), окончила геологический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова. Правнуки: Анастасия и Юрий.

В детские и юношеские годы Сергей Мишарин очень любил рисовать. Знакомые отца, увидев его рисунки, настояли на их показе дипломнику художественного училища, впоследствии известному художнику-плакатисту Корецкому. Тот посоветовал юноше поступать в архитектурный институт. Мишарин последовал совету, поступил в Московский архитектурный институт и в 1941 году окончил факультет градостроительства.

С первых дней войны в составе студенческих отрядов Сергей Мишарин занимался маскировкой заводов города (Динамо, ЗИЛ), проектированием поселков военного времени. С ноября 1941 года служил в 78-м военно-полевом строительстве 22-го управления оборонительного строительства Западного и 2-го Белорусского фронтов. Проектировал и строил зоны обороны, огневые точки, переправы, мосты, дороги, а после освобождения Белоруссии обезвреживал и расчищал сельскохозяйственные площади от немецких минных полей. В период Висло-Одерской операции участвовал в строительстве переправ и мостов через Вислу и Одер.

Как участник войны награжден орденом Отечественной войны II степени, медалями "За боевые заслуги", "За оборону Москвы" и "За победу над Германией".

После демобилизации в январе 1946 года С.Д. Мишарин поступил на работу в мастерскую Генплана Архитектурно-планировочного управления (АПУ), где прошел путь от рядового архитектора до главного архитектора проекта и руководителя мастерской. В этот период он участвовал в разработке предложений по размещению высотных зданий в Москве, выполнил проект на улице Петровка - Каретный ряд, а также проект детальной планировки района Бутырский хутор.

В 1951 году мастерская была преобразована в Институт Генерального плана города Москвы, и в 1953 году С.Д. Мишарин принял на себя руководство мастерской юго-восточного сектора, выполнив с авторским коллективом проект Генплана сектора, проекты детальной планировки районов Кузьминки, Измайлово, Ленино, Перово, Южный порт с определением новой трассы Остаповского шоссе (Ново-Рязанского проспекта).

В 1956 году при формировании новой структуры Института Генплана С.Д. Мишарин был назначен руководителем мастерской детальной планировки города. Крупнейшей градостроительной задачей в юго-восточной части Москвы в этот период было предложение о выносе из города судоходного канала, соединяющего Химкинское водохранилище и Южный порт. Мастерской был выпущен проект детальной планировки Нагатинской поймы, определяющий новую трассу магистрали со строительством моста на суходоле, уточняющий трассу метрополитена, изменение русла реки Москвы. Одновременно велась детальная разработка красных линий всего города, решался ряд вопросов размещения крупных массивов жилья.

Важным результатом деятельности мастерской под руководством С.Д. Мишарина было определение новых резервных территорий для развития Москвы с одновременным уточнением трассы Московской кольцевой автодороги. По результатам этой работы в 1960 году правительством было принято решение о новой границе Москвы по МКАД, что поставило перед ГлавАПУ новые градостроительные задачи.

С 1961 года С.Д. Мишарин - начальник нового управления регулирования застройки и отвода городских земель ГАПУ Москвы. В течение последующих лет под его руководством был выполнен большой задел отводов для строительства районов Беляево, Коньково-Деревлево, Ленино-Дачное, Измайлово и др.

В 1967 году С.Д. Мишарина назначают директором Научно-исследовательского и проектного института Генерального плана города Москвы ГАПУ Мосгорисполкома. Коллектив института, тесно взаимодействуя со смежными отраслевыми институтами Москвы, в течение трех лет закончил весь состав проекта Генплана, который был успешно утвержден объединенным Постановлением Политбюро ЦК КПСС и Совмина СССР в июне 1971 года. В 1973 году была утверждена Схема планировки Московской области, разработанная одновременно с Генпланом Москвы. Одним из основных авторов и первой, и второй работ был С.Д. Мишарин.

В соответствии с этими уже директивными документами С.Д. Мишарин и институт приняли на себя основные творческие и контрольные функции по реализации таких важнейших компонентов градостроения, как размещение всех видов строительства по пятилеткам (1971-1990); проект пригородной зоны (1976); разработка генеральных схем по отраслям городского хозяйства (транспорта, метрополитена, тепла и энергоснабжения, размещения больниц, школ, предприятий торговли, спорта и озеленения); генеральные схемы организации и использования подземного пространства Москвы; схемы размещения резервных территорий Москвы за пределами расчетного срока.

Важной стороной деятельности С.Д. Мишарина с 1971 по 1983 год явилась пропаганда и разъяснение идей Генерального плана Москвы и Московской области. Он неоднократно выступал с докладами на конференциях в стране и за рубежом (Франция, Венгрия, Польша Австрия, Япония, Афганистан, Италия), опубликовал свыше 40 статей в периодических массовых изданиях.

За разработку градостроительных разделов проведения Олимпиады в Москве в 1980 году С.Д. Мишарин удостоен Государственной премии СССР. Ему присвоено звание Заслуженного архитектора РСФСР. К его боевым наградам добавились ордена Трудового Красного Знамени и "Знак Почета", медаль "За трудовое отличие", множество других наград. Он отмечен тремя медалями ВДНХ.

В 1983 году Сергей Дмитриевич вышел на заслуженный отдых, продолжив творческую работу в Научно-исследовательском и проектном институте Генплана и Союзе архитекторов.

Живет в Москве.