Детство Светланы прошло на Плющихе. Немоляевы были обычной семьёй советских интеллигентов. Отец — Владимир Викторович Немоляев (29 июля 1902 — 21 мая 1987), советский комедийный кинорежиссёр, сценарист, один из первых выпускников ВГИКа, был уважаем как начинающими, так и признанными мастерами. Мать — Валентина Львовна Ладыгина (1907—1988), звукооператор.
В 1958—1959 годах — актриса Московского драматического театра на Спартаковской (затем — на Малой Бронной).
В 1959 году была принята в труппу Московского академического театра имени Владимира Маяковского, на сцене которого служит по настоящее время.
Первую известность в кинематографе начинающая актриса получила в 1958 году благодаря роли Ольги Лариной в громкой премьере того времени — советском художественном фильме по опере П. И. Чайковского «Евгений Онегин» режиссёра Романа Тихомирова. Всесоюзную известность среди кинозрителей Светлана Немоляева приобрела благодаря ярким ролям в кинокартинах режиссёра Эльдара Александровича Рязанова «Служебный роман» (1977), «Гараж» (1979), «О бедном гусаре замолвите слово» (1980) и «Небеса обетованные» (1991).
Светлана Немоляева является членом Союза театральных деятелей (с 1962 года), Союза кинематографистов (с 1980 года), Российской академии кинематографических искусств «Ника» (с 2002 года).
В 1954 году поступила на актёрский факультет Высшего театрального училища имени М. С. Щепкина в Москве (руководитель курса — профессор Леонид Андреевич Волков), который с отличием окончила в 1958 году.