Родился 10 февраля 1921 года в деревне Свистелки ныне Оршанского района Витебской области в семье рабочего. Белорус. Образование среднее. Работал в городе Орша в железнодорожных мастерских.
Служил в пограничных войсках НКВД СССР с 1940 года. Принимал участие в обороне Ленинграда, где был четырежды ранен.
В 1945 году проходил службу в звании ефрейтора на 9 заставе 2-го погранотряда пограничных войск НКВД, размещённого в Радеховском районе, Львовской области, Украинской ССР
5 февраля 1945 года 9 застава 2-го погранотряда пограничных войск НКВД вела бой с бандой УПА. После перестрелки банда стала отходить к лесу. Пограничник ефрейтор Пустельников, видя, что бандитам удаётся оторваться от заставы, сел на крестьянскую лошадь, обогнал банду и огнём сковал её действия. Бандиты ранили и окружили Пустельникова, пытались взять его живым. Пустельников убил трёх бандитов, а когда кончились патроны подорвал себя гранатой, взрывом которой было убито ещё два бандита. Пожертвовав жизнью, Пустельников обеспечил подход заставы к месту боя и ликвидацию банды.
Похоронен в селе Поторица Сокальского района Львовской области Украины.
Награждён орденом Ленина, орденом Красной Звезды, медалью «За оборону Ленинграда».
Имя Героя 2 августа 1946 года было присвоено пограничной заставе Львовского пограничного отряда Западного пограничного округа, где установлена мемориальная доска, именем Семёна Пустельникова были названы улицы в городах Львове и Орше, а также школа в Орше.