Походженням з шляхетського роду Нєдєліних[3] (за іншою версією — з сім'ї робітників, що пояснює вибір початкової парафіяльної школи, де хлопець вчився в 1909-13). До 1917 вчився в Липецькому реальному училищі (імовірно, не скінчив, оскільки пізніше вчився у вечірній школі), далі працював у залізничних майстернях. В РСЧА березня 1920 по 1923, учасник Громадянської війни, червоноармієць. Член РКП(б) з 1924. Знов у РСЧА з 1924.
Закінчив артилерійські курси удосконалення командирського складу (1929 та 1934) та Академічні курси удосконалення командирського складу (1941).
З 30 квітня 1941 командир 2-ї протитанкової артилерійської бригади. Після її розформування у вересні 1941 — заступник начальника артилерії, начальник артилерії армії на Південному та Північно-Кавказькому фронтах (1941-43); заступник командира артилерії Північно-Кавказького фронту, командир артилерійського корпусу (1943); командир артилерії Північно-Західного та 3-го Українського фронту (1943-45). Генерал-полковник (1944), Герой Радянського Союзу (1945).
Повоєнні роки
По війні — командир артилерії Південної групи військ (1945—46), начальник штабу артилерії Збройних Сил (1946—48), начальник Головного артилерійського управління Збройних Сил (1948—50); заступник військового міністра СРСР з озброєнь(січень 1952 — квітень 1953).
З 1952 — кандидат в члени ЦК КПРС. Депутат Верховної Ради СРСР 4-го та 5-го скликань.
Смерть
Загинув 24 жовтня1960 року на 41-му стартовому майданчику Байконура внаслідок вибуху ракети Р-16 під час випробувань. Усього загинули 74 особи і ще четверо померли внаслідок сильних опіків та отруєння парами гептилу. За свідченнями колишнього начальника космодрому Олександра Курушина, від маршала залишився тільки темний слід на асфальті біля ракети. Були знайдені плавлена Зірка Героя Радянського Союзу, один погон та наручний годинник.
Ім'я «Маршал Нєдєлін» мав корабель вимірювального комплексу Тихоокеанського флоту.
Бліндаж Нєдєліна — один з командно-спостережних пунктів на 232 полігоні біля Яворова, Україна.
На будівлі СОШ № 15 в Липецьку встановлена пам'ятна дошка
На будівлі Борисоглебської СОШ № 5 в Борисоглебську Воронезької області встановлена пам'ятна дошка.
Графіті на стіні будинку по вулиці Маршала Нєдєліна в Москві.
Щорічно в День ракетних військ та артилерії в Росії покладаються вінки до урни з прахом у Кремлівської стіни.
У кіно
Документальне
Л. Млечин. Советский космос: Четыре короля (2012).
Документальний фільм «Тайны века. Байконур. Сгоревшие заживо».
Художнє
У телесеріалі «Space Race» (2005; Росія — США — ФРН — Велика Британія), присвяченому суперництва СРСР і США в космічній гонці, роль Митрофана Недєліна виконав британський актор Тім Вудвард[en].
(рос.)Осташев А. И.isbn=978-5-8135-0510-2. Сергей Павлович Королёв — гений ХХ века: прижизненные личные воспоминания об академике С. П. Королёве. — ISBN 978-5-8135-0510-2.
(рос.) Неизвестный Байконур / под ред. Б. И. Посысаева. — М.: Глобус, 2001. — 528 с.
(рос.)Порошков В. В. Ракетно-космический подвиг Байконура. — ISBN 5-7030-0969-3.