Родился 21 апреля 1962 г. в гор. Щёкино (Тульская обл.).
В 1983 г. окончил в Воронежской обл. Борисоглебское высшее военное авиационное училище летчиков. В 1994 г. стал выпускником Государственной академии нефти и газа им. И. М. Губкина (Москва, ныне Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина) на факультете "Аэрокосмоэкология", где получил квалификацию инженера-эколога и степень магистра экологического менеджмента. В 2006 г. с золотой медалью окончил Военно-воздушную академию имени Ю. А. Гагарина (Монино, Московская обл.; ныне Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина, Воронеж) по специальности "управление воинскими частями и соединениями". В 2009 г. окончил в Москве Российскую академию государственной службы при президенте РФ (ныне Российская академия народного хозяйства и государственной службы при президенте РФ) по специальности "юриспруденция".
С декабря 1983 г. служил в рядах Вооруженных сил СССР летчиком, с 1986 г. - старшим летчиком в составе 32-го гвардейского истребительного авиационного полка 9-й истребительной авиационной дивизии (иад) Военно-воздушных сил (ВВС) Московского военного округа. Затем занимал должность командира авиационного звена в том же полку.
В декабре 1989 г. капитан Залетин принял командование авиационным звеном 274-го авиационного полка истребителей-бомбардировщиков 9-й иад.
В августе 1990 г. приказом Минобороны СССР был назначен на должность кандидата в космонавты-испытатели 4-й группы космонавтов Центра подготовки космонавтов ВВС.
В период с октября 1990 г. по март 1992 г. прошел общекосмическую подготовку, по итогам которой получил квалификацию "космонавт-испытатель
С апреля 1992 г. майор Сергей Залетин проходил подготовку по программе полетов на орбитальную станцию "Мир".
В феврале 1996 г. был назначен командиром дублирующего экипажа на станцию "Мир". С сентября 1997 г. готовился к полету вместе с Александром Калери. В феврале 1998 г. был назначен командиром основного экипажа 28-й экспедиции на орбитальную станцию, однако из-за проблем с финансированием она была отменена. К подготовке в составе экипажа приступил в июне 1999 г., когда было принято решение о проведении экспедиции в следующего году.
Сергей Залетин совершил первый космический полет с 4 апреля по 16 июня 2000 г. вместе с Александром Калери в качестве командира корабля "Союз ТМ-30" и орбитального комплекса "Мир" по программе ЭО-28. В ходе экспедиции совершил один выход в открытый космос продолжительностью 5 часов 3 минуты. Продолжительность полета составила 72 суток 19 часов 42 минуты 16 секунд.
Указом президента РФ Владимира Путина от 9 ноября 2000 г. Сергей Залетин был удостоен звания Героя Российской Федерации за мужество и героизм, проявленные во время космического полета.
В мае - октябре 2001 г. готовился в качестве командира дублирующего экипажа ЭП-2, второй российской экспедиции посещения Международной космической станции (МКС), а с 10 октября того же года - в качестве командира основного экипажа ЭП-4 (четвертой экспедиции космонавтов РФ на МКС).
Второй полет совершил с 30 октября по 10 ноября 2002 г. с бельгийцем Фрэнком де Винне и россиянином Юрием Лончаковым как командир корабля "Союз ТМА-1" и ЭП-4. Основной задачей экспедиции была замена на МКС корабля-спасателя с "Союза ТМ-34" на "Союз ТМА-1". Продолжительность полета составила 10 суток 20 часов 53 минуты 9 секунд.
В общей сложности за два полета провел в космосе 83 суток 16 часов 35 минут 25 секунд.
В декабре 2003 г. Сергей Залетин участвовал в качестве самовыдвиженца в выборах депутатов Госдумы РФ IV созыва. Баллотировался по Щекинскому одномандатному избирательному округу №177. Набрав 9,27% голосов избирателей, занял 4-е место, в Госдуму не прошел.
3 октября 2004 г. был избран депутатом Тульской областной думы IV созыва по 12-му одномандатному избирательному округу (г. Щекино) от партии "Справедливая Россия". В связи избранием уволился из отряда космонавтов. Занимал пост заместителя председателя комитета облдумы по экономической политике, налогам и собственности.
В декабре 2007 г. участвовал в выборах в депутаты Госдумы РФ V созыва по списку "Справедливой России" (региональная группа №74, Тульская обл. - Новомосковская). По итогам распределения мандатов в Думу не прошел.
До декабря 2008 г. Сергей Залетин возглавлял фракцию "Справедливая Россия" в Тульской областной думе, после чего перешел в партию "Единая Россия".
11 октября 2009 г. был избран депутатом Тульской облдумы V созыва от партии "Единая Россия", занимал первую строку в списке Щекинской территориальной группы №12. В разное время работал заместителем председателя комитета по социальной политике, входил в комитет по бюджету и налогам.
В январе 2011 г. Сергей Залетин был зачислен на должность инструктора-космонавта-испытателя ФГБУ "Научно-исследовательский испытательный центр подготовки космонавтов им. Ю. А. Гагарина" (Звездный городок, Московская обл.). В мае 2014 г. занял должность ведущего специалиста организационно-планового отделения отряда космонавтов Центра, выбыв из числа действующих космонавтов.
14 сентября 2014 г. был избран депутатом Тульской облдумы VI созыва по списку "Единой России". Входил в комитет по государственному строительству, безопасности и местному самоуправлению.
Полковник ВВС.
Военный летчик 1-го класса (1988), инструктор парашютно-десантной подготовки (1994). Общий налет Сергея Залетина превышает 1 тыс. 350 часов на пяти типах самолетов. Он также совершил более 220 прыжков с парашютом.
Летчик-космонавт РФ (2000).
Сергей Залетин награжден орденом "За заслуги перед Отечеством" IV степени (2003), медалью "За заслуги в освоении космоса" (2011), ведомственными медалями. Имеет иностранную награду - является командором ордена Короны (Бельгия, 2011).
Лауреат премии правительства РФ в области теплофизики (2000).
Почетный гражданин г. Щекино и Щекинского района (2001).