Родилась 20 апреля 1926 года в городе Вятке. В 1949 году окончила исторический факультет МГУ, в 1952 году — аспирантуру Института истории материальной культуры АН СССР (ныне Институт археологии РАН) с защитой кандидатской диссертации «Кочевники южнорусских степей IX—XIII вв. (по археологическим материалам и письменным источникам)». В 1968 защитила докторскую диссертацию «От кочевий к городам».
С 1952 по 2006 год работала в Институте археологии РАН. В 1974—1991 годах — заведующая отделом славяно-русской археологии, с 1993 по 2002 год — заведующая группой средневековой археологии евразийских степей.
Активный участник Волго-Донской археологической экспедиции (1949—1951) по исследованию Саркела-Белой Вежи (руководитель М. И. Артамонов). Руководитель ряда экспедиций по изучению памятников салтово-маяцкой культуры, в том числе советско-болгарской (изучение первой столицы Болгарии — Плиски) и советско-болгаро-венгерской (исследование Маяцкого городища (1975, 1977—1982).
С. А. Плетнёвой подготовлено 26 специалистов, защитивших кандидатские диссертации, 4 из них стали докторами наук. Работы С. А. Плетнёвой переведены на болгарский, сербский, венгерский, немецкий, французский и японский языки.
Плетнёва С. А. Печенеги и гузы на Нижнем Дону: (По материалам кочевнического могильника у Саркела-Белой Вежи) / Ин-т археологии АН СССР. — М.: Ин-т археологии, 1990. — 102 с.
Материалы и исследования по археологии Поволжья. Вып. 3. Средневековая археология евразийских степей: сборник статей к юбилею профессора С. А. Плетнёвой. М.; Йошкар-Ола, 2006. 248 с.;
Винников А. З. Археологические уроки С. А. Плетнёвой // Дивногорский сборник. Вып. 1. Воронеж, 2009;