Роден във Варна. Завършва СМУ „Добри Христов” в родния си град, а през 2002 г. и НМА „Проф. Панчо Владигеров” в София със специалност оперно пеене в класа на проф. Благовеста Карнобатлова – Добрева. Специализира при световноизвестният бас Карло Коломбара. 

Солист е на ТМПЦ – Държавна опера Варна от 2010 г. Пламен Димитров изгражда няколко десетки централни баритонови роли, които му донасят признание на много оперни сцени в Италия, Франция, остров Мартиника, Германия, Казахстан, Испания, Турция, Гватемала, Корея, Дания, Молдова, Белгия, Нидерландия, Япония, Китай, САЩ и др. 

В богатия му репертоар присъстват образите на Шонар и Марсел в „Бохеми”, Барон Скарпия от „Тоска”, Шарплес от „Мадам Бътерфлай”, Пинг от „Турандот”, Леско от „Манон Леско”, Рембо в „Граф Ори”, Фигаро от „Севилският бръснар”, Родриго в „Дон Карлос”, Дон Карло от „Силата на съдбата”, Амонасро в „Аида”, Граф ди Луна в „Трубадур”, Жорж Жермон в „Травиата”, Макбет в ,,Макбет”, Риголето в „Риголето”, Ренато в „Бал с маски”, Набуко в ,,Набуко”, Яго от „Отело’’, Ецио в „Атила”, всички баритонови сола в „Кармина Бурана”, Папагено от „Вълшебната флейта”, Жерар от „Андре Шение”, Мазето от „Дон Жуан”, Ескамилио от „Кармен”, Д-р Малатеста от „Дон Паскуале”, Енрико от „Лучия ди Ламермур”, Алфио от „Селска чест”, Тонио и Силвио от „Палячи”, Осман Бей от „Луд Гидия”, Алберих от „Залезът на боговете”, Алберих от „Рейнско злато”, Барнаба от „Джоконда”, Галицкий от „Княз Игор” и др.

Пламен Димитров гастролира във всички оперни театри в България, основно в Софийска опера и балет, с която участва в престижното турне в Япония през 2012 г. с ролята на Алфио от „Селска чест“ на Маскани. 

Изявява се и на сцените на престижни театри в чужбина, сред които: Grand opera – Канзас; Cerritos Center for the Performing Arts– Лос Анджелис;NJPAC – Ню Йорк; Majestic Theater – Бостън; Naples Opera – Флорида; Kravis Center – Флорида; State Opera in New London – Кънектикът; FOX Theater Atlanta – Джорджия и др. 

Пламен Димитров е отличен с награди и грамоти на оперния фестивал в Корея през 2014 г. и на оперетно – мюзикълния фестивал в Казахстан през 2017 г.