Учился в гимназии им. С. П. Королёва в Благоевграде. В 1989 году окончил Высший машиностроительно-электротехнический институт им. В. И. Ленина (ВМЕИ «В. И. Ленин»; сейчас — Технический университет Софии) по специальности «вычислительная техника».
27 июля 2009 года стал министром регионального развития в правительстве Бойко Борисова.
4 сентября 2011 года был выдвинут кандидатом в президенты Болгарии от партии ГЕРБ. 9 сентября 2011 года ушел с поста министра регионального развития. Выборы, которые состоялись в октябре, он выиграл, и в январе 2012 года официально вступил в должность.
В экономической политике Плевнелиев выступает за снижение налогов, поддержку бизнеса и сокращение бюджетного дефицита. Победа Плевнелиева иногда рассматривалась как шаг к началу жёстких экономических реформ, но это не произошло. При этом его внешнеполитическая программа более размыта: за месяц до выборов он не рассказал о важнейших векторах внешней политики. Однако отмечается, в частности, что в отличие от Георгия Пырванова отношения с Россией будут носить менее тесный характер.
В октябре 2014 года в интервью немецкой газете "Frankfurter Allgemeine Zeitung" назвал Россию «националистическим и агрессивным государством».
Считает, что Россия пытается ослабить и разделить Европу и сделать Болгарию зависимой страной. Аналогичные заявления о дестабилизации Россией Европейского союза и поддержки ультранационалистических партий сделал на исходе своего президентства в декабре 2016 года и в 2017 году находясь в отставке.
На президентских выборах в 2016 году не стал выдвигать свою кандидатуру, а представитель его партии Цецка Цачева потерпела поражение. В результате на выборах президента Болгарии победил генерал-майор в отставке Румен Радев.
22.03.2017