Светлана Немоляева родилась 18 апреля 1937 года в Москве. Отец — Владимир Немоляев (1902—1987), кинорежиссер и сценарист. Мать — Валентина Ладыгина (1907—1988), звукооператор. Младший брат — Николай (род. 5 июля 1938), кинооператор. В дом к Немоляевым регулярно приходили артисты Людмила Целиковская, Михаил Жаров, Всеволов Пудовкин и клоун Михаил Румянцев.
Во время Великой Отечественной войны будущая звезда и ее младший брат снимались в массовке в фильмах отца.
В 1945 году Немоляева дебютировала в кино, сыграв Светочку в черно-белой комедии режиссера Константина Юдина «Близнецы».
В 1954 году, после школы, актриса поступила в Высшее театральное училище имени М. С. Щепкина на курс Л.А. Волкова.
Первая известность в кинематографе пришла к Светлане 1958 году благодаря роли Ольги Лариной в фильме режиссера Романа Тихомирова «Евгений Онегин».
В этом же году, окончив с отличием вуз, начинающая артистка попала в труппу Московского драматического театра на Спартаковской (затем — на Малой Бронной). Спустя год она перешла в Московский академический театр имени Владимира Маяковского, на сцене которого служит по настоящее время.
В 1959 году Немоляева дебютировала на театральной сцене, сыграв Офелию постановке режиссера Н. П. Охлопкова «Гамлет», которая стала невероятно популярной.
Затем актриса сыграла более чем в 50 спектаклях театра имени В. Маяковского, наиболее известными из которых стали: «Таланты и поклонники» (1969), «Разгром» (1969), «Трамвай «Желание» (1970), «Бег» (1978), «Человек из Ламанчи» (1972), «Карамазовы» (2003), «Мёртвые души» (2005), «Ревизор» (2007), «Кант» (2013), «Плоды просвещения» (2015), «Бешеные деньги» (2017) и др.
Всесоюзная популярность и любовь зрителей пришли к актрисе благодаря ролям в кинолентах Эльдара Рязанова: «Служебный роман» (1977), «Гараж» (1979), «О бедном гусаре замолвите слово» (1980) и «Небеса обетованные» (1991).
В 1960 году Светлана Немоляева вышла замуж за актера Александра Лазарева. 27 апреля 1967 года у пары родился сын Александр Лазарев-младший, который пошел по стопам родителей и стал известным актером.
В 1981 году Немоляева озвучила представителя из музея (роль Евгении Ханаевой) в фильме «Всем — спасибо!», а в 1991-м — Анну Карамазову (роль Жанны Моро) в ленте «Анна Карамазофф».
В 2017 году легендарная актриса отметила 80-летний юбилей.
Немоляева продолжает активно сниматься в кино. В 2018 году вышли сразу пять проектов с участие актрисы: сериалы «Дипломат», «Убийства по пятницам» и фильмы «Ван Гоги», «Одиссея Петра» и «Бешеные деньги».
В 2019 году Светлана сыграла роль генеральши в мини-сериале «Мосгаз. Формула мести».
В 2020-м Немоляева исполнила роль Валентины Ивановны в драме «Этаж» и снялась в роли тещи в новой версии культовой комедии «12 стульев» с Дмитрием Нагиевым и Дмитрием Назаровым в главных ролях, которая выйдет на экраны в 2021 году.
Супруг — Александр Лазарев (03.01.1938—02.05.2011), актер. (поженились в марте 1960 года и прожили вместе пятьдесят один год)
Сын — Александр Лазарев-младший (род. 27 апреля 1967), актер
Заслуженная артистка РСФСР (1973)
Народная артистка РСФСР (1980)
1980 — Медаль «За трудовую доблесть» — за большую работу по подготовке и проведению Игр XXII Олимпиады
1998 — Орден Почета — за большие заслуги в развитии театрального искусства
2007 — Орден «За заслуги перед Отечеством» IV степени — за большие заслуги в развитии отечественного театрального искусства и многолетнюю творческую деятельность
2012 — Орден «За заслуги перед Отечеством» III степени — за большой вклад в развитие отечественного театрального и кинематографического искусства, многолетнюю творческую деятельность
2012 — Лауреат премии «Звезда Театрала» в номинации «Легенда сцены»
2012 — «Золотой диплом» X Международного театрального фестиваля «Золотой Витязь» за роль Домны Пантелеевны в спектакле «Таланты и поклонники»
2013 — Лауреат Российской национальной премии «Золотая маска» в номинации «Лучшая роль второго плана» (Домна Пантелеевна в спектакле «Таланты и поклонники»)
2014 — Лауреат премии «Звезда Театрала» в номинации «Лучшая женская роль второго плана» (за роль Анны-Регины в спектакле «Кант»).
2015 — Почетный приз «Госпожа удача» имени Павла Луспекаева XXIV Фестиваля кино стран СНГ, Латвии, Литвы и Эстонии «Киношок» за мужество и достоинство в профессии
2017 — Приз в спецноминации «За вклад в жизнь» на 15-ой ежегодной национальной премии в области популярной музыки «МУЗ-ТВ»
2018 — Почетная грамота Президента Российской Федерации