Дворянин. Окончил 3-ю гимназию в Одессе с золотой медалью (1901). Учился на медицинском факультете Московского университета. Участник революционного движения, арестован. Затем в Германии. Доктор зоологии и философии Гейдельбергского университета (1907), дисс. «Die Statocyste der Heteropoden». Работал на морских биологических станциях в Виллафранке, Триесте, Неаполе, Мессине и др. Ассистент фармакологического института Мессинского университета (1908). С 1912 ассистент И.П.Павлова в Физиологической лаборатории ИАН в СПб. Создатель тончайших инструментов для операций на живой клетке; изобрел и построил первый микроманипулятор (1911). Участник Первой мировой войны, Белого движения. В 1919 из Новороссийска уехал за границу. С 1920 преподавал на медицинском факультете Загребского университета (КСХС), работал в  Океанографическом музее в Монако и на зоологической морской станции в Виллафранке; затем — в Берлине (Германия). Занимался проблемами рациональной организации труда. Участник группы «Смена вех» (с 1921). Гражданин СССР (1923). Соредактор г. «Накануне» (1923—24). В дальнейшем жил и работал в Италии (Генуя, фармакологический институт; 1926—29), Германии (Гейдельберг, 1930—33), Дании (1933—34), с 1934 во Франции (Париж). Занимался проблемами биофизики, этиологии рака. Опубликовал монографию «Психическое насилие над массами путем политической пропаганды», ставшую классической работой по социальной психологии масс. Один из руководителей движения «Железный фронт против Гитлера», в годы Второй мировой войны участник французского Сопротивления. В 1941 арестован, находился в заключении в Кмпьенском лагере. С 1944 член Союза русских патриотов; участник пацифистского движения ученых. С 1955 в Италии. В 1958 вернулся в СССР, старший научный сотрудник Института цитологии АН СССР, почетный доктор АН СССР.

Похоронен на Корсике. Прах развеян.

Отец: Степан Иванович (1850—1919), дипломат. Мать: Александра Николаевна (ур. Моццо). Братья: Иван (1885—1938), Николай (1886—1973); Степан (1888—1931), художник. Жены: в 1-м браке — Эмма Вильгельмовна (ур. Гааз, 1881—1941), сыновья: Сергей (1906—1976), Владимир  (1909—1943), Игорь (1911—1996). Во 2-м браке — Серафима Никитична (ур. Омолаева, 1885—1978), сыновья: Вениамин (р. 1917), Евгений (р. 1922). В 3-м браке — Анна Марковна (ур. Свенчанская, 1907—1984), сыновья: Андрей (р. 1939), Петр (р. 1943), художник.

Фотография Сергея Чахотина любезно предоставлена В.В.Чахотиной.

Соч.: Organisation rationelle de la recherche scientifique. P., 1938; Le viol des foules par la propagande politique. P., 1939.

Восп.: Sotto le macerie di Messina: racconto di un sopravvissuto al terremoto del 1908. Messina, 2008.

Лит.: Квасов Д.Г., Федорова-Грот А.К. Физиологическая школа И.П.Павлова. Потреты и характеристики сотрудников и учеников. Л., 1967. С. 267—268; Посудин Ю.И. Биофизик Сергей Чахотин. Киев, 1995; Масоликова, Сорокина, 2006; Сорокина М.Ю. «Невозвращенцы», или как Сергей Чахотин вернулся в СССР // Третьи чтения памяти В.Иофе. Право на имя: Биография вне шаблона. 22—24 апреля 2005. Сборник докладов. СПб., 2006. С. 73—87; Фокин С.И. Русские ученые в Неаполе. СПб., 2006. С. 244—248; Сорокина М.Ю. «В Каноссу!», или Как Сергей Чахотин вернулся на родину // Природа. 2007. № 3. С. 69—77; Костицын В.А. Воспоминания о Компьенском лагере (1941—1942). М., 2009; Albrecht R. Sergej Tschachotin oder «Dreipfeil gegen Hakenkreuz»: Eine biographisch-historische Skizze. 1986. Bd. 4. S. 208—228; Hardeman H. Coming To Terms With The Soviet Regime. DeKalb, 1994. С.  161; Масоликова Н.Ю., Сорокина М.Ю. Материалы для биобиблиографического словаря «Российское научное зарубежье». Пилотный выпуск 2: Психологические науки. XIX — первая половина ХХ в. М.: Дом русского зарубежья им. А.Солженицына, 2010. С.103-105