11 мая 1990 года зачислен в отряд космонавтов. Совершил два полёта в космос — командиром экипажа «Союз ТМ-30» и командиром «Союз ТМА-1», проведя в космосе в общём счёте 83 суток 16 часов 35 минут 25 секунд.
Женат на Елене Максимовне Залётиной (урождённой Горячевой). Есть сын — Сергей, 1984 года рождения. Есть старшая сестра Людмила, 1954 года рождения. Увлекается шахматами, спортивными играми (отлично играет в большой теннис) и путешествиями.
Учился в средней школе № 13 города Щёкино. В 1983 году окончил Борисоглебское ВВАУЛ им. В. П. Чкалова по специальности «пилот-инженер».
С 1983 по 1990 год служил лётчиком, позже старшим лётчиком и командиром авиационного звена в ВВС Московского военного округа.
В 1990 году был зачислен в отряд космонавтов, проходил специальную подготовку с октября 1990 по март 1992 года. 11 марта 1992 года был назначен космонавтом-испытателем. В 1992—1997 годах проходил программу подготовки к полёту на орбитальную станцию «Мир». Был назначен командиром экипажа, полёт которого намечался на август 1999 года, но экспедиция была отменена из-за недостатка средств.
4 апреля 2000 года Залётин отправился в свой первый космический полёт. Он провёл 72 суток 19 часов 42 минуты 16 секунд на космическом корабле «Союз ТМ-30» и орбитальном комплексе «Мир», а также совершил один выход в открытый космос. 16 июня 2000 года экипаж вернулся на Землю.
30 октября 2002 года совершил свой второй полёт в качестве командира экипажа «Союз ТМА-1» и четвёртой экспедиции посещения МКС. Провёл на орбите 10 суток 20 часов 53 минуты 9 секунд. 10 ноября 2002 года экипаж вернулся из экспедиции.
20 октября 2004 года Сергей Викторович Залётин ушёл из отряда космонавтов в связи с избранием в депутаты Тульской областной думы.