Родился 27 октября (9 ноября) 1902 года в городе Борисоглебск Тамбовской губернии, ныне в Воронежской области (Россия) в семье чиновника Министерства иностранных дел*. Русский.
С сентября 1909 года по май 1913 года учился в начально-приходской школе Борисоглебска, с октября 1913 года по февраль 1917 года – в Липецком реальном училище. С августа 1917 года по февраль 1920 года работал в железнодорожных мастерских в Борисоглебске, одновременно учился в вечерней школе второй ступени.
В РККА с 13 марта 1920 года.
Участвовал в гражданской войне. В марте-мае 1920 года – красноармеец, политбоец 33-го стрелкового батальона 33-го участка военных дорог 12-й армии Юго-Западного фронта. С марта 1920 года по май 1921 года – на войне с Польшей: с мая 1920 года по март 1921 года – командир отделения, в марте-апреле 1921 года – красноармеец 5-го железнодорожного батальона 12-й армии. С апреля 1921 года по апрель 1922 года – казначей политического отдела 2-го боевого участка, начальник хозяйственного отделения политического отдела 10-й стрелковой дивизии Тамбовской армии. С мая 1921 года по апрель 1922 года принимал участие в подавлении Антоновского восстания на Тамбовщине. В апреле-мае 1922 года – помощник делопроизводителя 150-го стрелкового полка 17-й стрелковой дивизии Московского военного округа, в мае-октябре 1922 года – помощник начальника военно-политических курсов 28-й отдельной стрелковой бригады.
С ноября 1922 года по январь 1923 года – курсант Военно-политических курсов Туркестанского фронта, участник борьбы с басмачеством в Средней Азии.
В январе-мае 1923 года – заместитель начальника 3-го района конной милиции, заведующий оружием 132-й отдельной роты особого назначения, во время долечивания после ранения - счетовод-кассир в учреждении системы потребительской кооперации в городе Борисоглебск.
В мае 1923 года по состоянию здоровья (заболел тропической малярией и туберкулезом легких) был уволен из Красной армии.
В Красной армии снова стал служить с апреля 1924 года.
Служил в 56-й стрелковой дивизии Ленинградского военного округа: красноармеец – политбоец 56-го лёгкого артиллерийского дивизиона, заведующий библиотекой 56-го артиллерийского полка (апрель-декабрь 1924 года), помощник политрука полковой батареи этого же полка (декабрь 1924 года - октябрь 1925 года). С ноября 1925 года по ноябрь 1928 года – в 43-м артиллерийском полку 43-й стрелковой дивизии: политрук батареи, политрук и исполняющий должность командира взвода полковой школы.
Окончил артиллерийские курсы усовершенствования комсостава Ленинградского военного округа (учился с ноября 1928 года по август 1929 года).
С августа 1929 года по октябрь 1931 года – командир батареи, с октября 1931 года по ноябрь 1933 года – командир артиллерийского дивизиона, в апреле-ноябре 1933 года – командир дивизиона 2-го артиллерийского полка 2-й стрелковой дивизии.
Окончил артиллерийские курсы усовершенствования комсостава РККА (учился с ноября 1933 года по январь 1934 года).
В январе-июле 1934 года – командир учебного дивизиона 2-го артиллерийского полка, с июля 1934 года по январь 1937 года – командир учебного дивизиона.
13 января 1936 года присвоено звание майора.
В январе-декабре 1937 года – начальник штаба учебного артиллерийского полка артиллерийских курсов усовершенствования командного состава РККА.
Участвовал в национально-революционной войне в Испании с декабря 1937 года по март 1939 года в качестве военного советника по артиллерии Центрального фронта, советника по вооружению при Министерстве обороны республиканского правительства.
5 марта 1939 года присвоено звание полковника.
С марта (сентября) 1939 года по 1940 год командовал 13-м артиллерийским полком 1-й Московской Пролетарской мотострелковой дивизии, затем был начальником артиллерии 160-й стрелковой дивизии.
В апреле-октябре 1940 года – старший инспектор по артиллерии Московского военного округа, с октября 1940 года по апрель 1941 года – начальник артиллерии 160-й стрелковой дивизии Московского военного округа.
Окончил полугодичные Высшие артиллерийские академические курсы усовершенствования командного состава при Артиллерийской академии имени Ф. Э. Дзержинского в 1941 году.
С 30 апреля 1941 года служил в Киевском Особом военном округе командиром 4-й артиллерийской противотанковой бригады.
Участвовал в Великой Отечественной войне с июня 1941 года.
Воевал на Юго-Западном фронте, до сентября (октября) 1941 года командовал 4-й артиллерийской противотанковой бригадой, затем состоял в Резерве Верховного Главнокомандования и в 18-й армии Южного фронта.
С октября 1941 года по май 1943 года – начальник артиллерии 18-й армии, командующий артиллерией 37-й армии Южного фронта, командующий артиллерией 56-й армии Северо-Кавказского фронта.
13 мая 1942 года присвоено воинское звание «генерал-майор артиллерии».
В мае-июне 1943 года – заместитель командующего артиллерией Северо-Кавказского фронта, в июне-июле 1943 года – командир 5-го артиллерийского корпуса прорыва Резерва Верховного Главнокомандования в Московском военном округе, с июля 1943 года – командующий артиллерией – заместитель командующего войсками Юго-Западного фронта.
25 сентября 1943 года присвоено звание генерал-лейтенанта артиллерии.
С 20 октября 1943 года – командующий артиллерией – заместитель командующего войсками 3-го Украинского фронта, одновременно член Военного совета.
3 апреля 1944 года присвоено звание генерал-полковника артиллерии.
Принимал участие в боях за Днепр, в Ясско-Кишенёвской, Будапештской, Венской операциях.
После окончания войны продолжал службу в Вооруженных силах.
С июля 1945 года – командующий артиллерией Южной группы войск и член Военного совета, в апреле-мае 1946 года – начальник штаба артиллерии Управления командующего артиллерией Сухопутных войск, с мая 1946 года – начальник штаба артиллерии Вооружённых Сил, с ноября 1948 года – начальник Главного артиллерийского управления Вооружённых Сил. С марта 1950 года – командующий артиллерией Советской Армии, с января 1952 года – заместитель военного министра СССР по вооружению, с апреля 1953 года – командующий артиллерией Советской Армии.
3 августа 1953 года присвоено звание маршала артиллерии.
С 21 марта 1955 года – заместитель министра обороны СССР по специальному вооружению и ракетной технике.
8 мая 1959 года присвоено воинское звание «главный маршал артиллерии».
С декабря 1959 года – главнокомандующий (1-й Главком) Ракетными войсками стратегического назначения – заместитель министра обороны СССР.
Активно занимался созданием и организацией Ракетных войск стратегического назначения. Под его руководством разработаны и испытаны первые образцы межконтинентальных баллистических ракет (октябрь-ноябрь 1947 года) и ракет средней дальности, осуществлён запуск первого искусственного спутника Земли. В сентябре 1954 года был в составе руководства крупным войсковым учением с реальным взрывом атомной бомбы. Член Государственных комиссий по испытанию ядерного оружия в СССР (август 1953 года) и по испытаниям первой в мире межконтинентальной многоступенчатой ракеты (1957 год).
Занимался научной деятельностью, написал статьи «Артиллерия в боях за освобождение Югославии», «Разгром немецко-фашистских войск в боях за Вену».
Погиб 24 октября 1960 года при исполнении служебных обязанностей на 41-й стартовой площадке Байконура – во время предстартовой подготовки к пуску первой межконтинентальной баллистической ракеты «Р-16» произошёл непредвиденный запуск двигательной установки второй ступени и взрыв ракеты. Всего погибло 74 человека и ещё четверо умерло в результате сильных ожогов и отравления парами гептила. Температура горения была столь высока, что от маршала Неделина остался только тёмный след на асфальте возле ракеты. Были найдены оплавившаяся Золотая звезда Героя Советского Союза, один его погон и наручные часы. Своей гибели маршал мог бы избежать, если бы воспользовался специальным укрытием, а не сидел на стуле возле ракеты при подготовке её к запуску. Такая беспечность стоила ему жизни.
Инцидент был строго засекречен, официально было объявлено о гибели только самого Неделина в результате авиакатастрофы. Урна с прахом маршала Неделина была захоронена в некрополе Кремлёвской стены на Красной площади в городе Москва (Россия).
За образцовое выполнение боевых заданий командования на фронте борьбы с немецкими захватчиками и проявленные при этом отвагу и геройство указом Президиума Верховного Совета СССР от 28 апреля 1945 года генерал-полковнику артиллерии Неделину Митрофану Ивановичу присвоено звание Героя Советского Союза (медаль «Золотая Звезда» № 5442).
Награждён пятью орденами Ленина (13.09.1944, 28.04.1945, 06.05.1945, 20.04.1956, 21.12.1957), четырьмя орденами Красного Знамени (22.02.1939, 13.12.1942, 03.11.1944,** 15.11.1950), орденом Суворова 1-й степени*** (19.03.1944), орденом Кутузова 1-й степени**** (26.10.1943), орденом Богдана Хмельницкого 1-й степени***** (18.11.1944), орденом Отечественной войны 1-й степени (03.11.1944), орденом «Знак Почёта» (16.08.1936), медалями «ХХ лет РККА» (1938), «За оборону Кавказа», «За освобождение Белграда», «За взятие Будапешта», «За взятие Вены», «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941-1945 гг.», «30 лет Советской Армии и Флота», «40 лет Вооружённых Сил СССР», российским орденом Мужества (20.12.1999) и иностранными наградами - орденом «Партизанская Звезда» 1-й степени (Югославия), орденом «За военные заслуги» 1-й степени с мечами (Болгария), орденом «Венгерская свобода» (Венгрия), а также другими орденами и медалями.
Примечания:
* По некоторым данным, происходил из дворянского рода Неделиных, по другим данным, родился в рабочей семье.
** Орден имел порядковый № 559/"3".
*** Орден имел порядковый № 145.
**** Орден имел порядковый № 64.
***** Орден имел порядковый № 336.