Фомин родился 22 января (3 февраля) 1872 г. в Орле в семье почтового чиновника. Детство провел в Риге, где в 1890 г. окончил гимназию. В том же году юноша по настоянию отца поступает на математический факультет Московского университета. Однако, чувствуя призвание к архитектуре, через три года бросает университет и держит экзамен в Высшее художественное училище при Академии художеств. Эта попытка окончилась неудачей: недостаточно подготовленный, Фомин не выдержал экзамена по рисунку. Но он не пал духом, год настойчиво занимался рисованием и, сдав экзамен, в 1894 г. был принят в число студентов академии.
Это было время революционных волнений среди студенчества. В 1897 г. за участие в студенческих беспорядках Фомина исключают из академии. Он переезжает в Москву, где становится помощником Ф. О. Шехтеля и других архитекторов, участвуя, в частности, в реконструкции и внутренней отделке здания Московского Художественного театра, строительстве бывшего особняка Рябушинского на улице Качалова, дома бывшего Московского купеческого общества на площади Дзержинского. Тогда же он выполняет самостоятельные работы и, кроме того, организует выставку «Архитектура и художественная промышленность нового стиля» (1902 г.). Его произведения, представленные на выставке, были столь своеобразны, что о них заговорили в художественных кругах.
В 1905 г. Фомин возвращается в Академию художеств, где в 1909 г. выполняет дипломный проект по классу профессора Л. Н. Бенуа на тему «Курзал на Минеральных Водах», за что получает звание художника-архитектора и заграничную командировку. Проявив себя в дипломной работе уже зрелым архитектором, он показал себя и мастером офорта, который изучал в мастерской профессора В. В. Мате. Во время заграничной поездки Фомин запечатлел архитектуру Египта, Греции, Италии в серии офортов, выдвинувших его в ряды лучших художников гравюры. Способность Фомина проникать в самое существо памятников архитектуры позволяла ему удивительно остро передавать в рисунках дух зодчества той или иной эпохи. В своих офортах, далеких от стилизаторской манеры, присущей искусству тех лет, он выступает как подлинный реалист.
Отдав некоторую дань увлечению модерном, Фомин обращается к наследию русского классицизма. Стремясь популяризировать русскую архитектуру конца XVIII — начала XIX в., он выступает со статьями, воспевающими московский классицизм. Восторженно и поэтично говорит он о творениях старых московских зодчих, осуждает варварское отношение буржуазного общества к памятникам русской архитектуры.
В 1908 г. Фомин становится участником возглавляемого И. Э. Грабарем труда по истории русского искусства. Им составлены разделы третьего тома «Истории русского искусства», посвященные классицизму первой и второй четвертей XIX в. Стремление популяризировать наследие отечественного зодчества побудило Фомина стать организатором «Исторической выставки архитектуры» (1911 г.).
Будучи по своему призванию художником крупных монументальных тем, Фомин стремился к решению задач большого общественного содержания. До революции он создал свыше 50 проектов, среди которых были проекты общественных сооружений и ансамблевой застройки, такие, например, как проекты бывшего Николаевского вокзала (ныне Московский), нескольких музеев, ряда банков, застройки острова Голодай (так называемый Новый Петербург), комплексов Тучкова Буяна в Петрограде, курорта Ласпи в Крыму.
Однако реализация столь обширных градостроительных замыслов в царской России была невозможна. В своей практической деятельности Фомин вынужден был ограничиваться частными заказами по отделке квартир и постройке особняков. Наиболее значительными из построенных им в те годы зданий были дом Оболенского в Финляндии, дома Половцева и Абамелек-Лазарева в Петербурге (1910— 1914 гг.).
В 1915 г. Фомин получает звание академика архитектуры.
Фомин был среди тех представителей интеллигенции, которые сразу после Великой Октябрьской революции включились в творческую работу. Большое общественное звучание архитектурных тем, рожденных революцией, отвечало его давнишним мечтам. Со всей силой дарования он откликнулся на выполнение новых задач.
Фомин возглавляет одну из первых государственных проектных организаций — архитектурно-планировочную мастерскую Петрограда, где под его руководством разрабатывается программа развития города, преподает в Академии художеств и в политехническом институте, работает над реализацией ленинского плана монументальной пропаганды, участвует в конкурсах, имевших целью найти типы и образы новых общественных зданий. С первых же дней зарождения советской архитектуры Фомин начинает искания новых композиционных приемов и форм, способных воплотить идейное содержание социалистической эпохи. Весь советский период его творчества носит ярко выраженный целеустремленный характер, проникнут единым стремлением создать архитектурный стиль, созвучный происходящим в нашей стране грандиозным социальным преобразованиям. «...Каждый из нас с первых дней революции,— говорил Фомин,— хотел творить не так, как раньше, а как-то по-новому. Но это новое давалось с трудом, не сразу».