Талантът на Димитров е забелязан, когато е на 15 години от варненската педагожка Мария Коровешова. Тя му преподава впоследствие и в местното Музикално училище. След това той завършва Националната музикална академия в класа на Благовеста Карнобатлова. Взема индивидуални уроци при варненския баритон Георги Койчев.
Първата му роля е Шонар в „Бохеми“, след което изпълнява и Мазето от „Дон Жуан“, Шарплес от „Мадам Бътерфлай“ и Жермон от „Травиата“. Певецът счита, че един от най-важните хора в музикалното му развитие е корепетиторът Жанета Бенун, с която е научил няколко десетки роли. От нея в края на 2009 г. узнава, че във Варненската опера имат нужда от спинтов баритон и се явява на прослушване, където се запознава с маестро Борислав Иванов.
Една от любимите му роли е Риголето, но важни за него са и изявите му като Скарпия и Яго, а през последния сезон на Варненска опера и Микеле от „Мантията“ от Триптиха на Пучини, с който театърът отбеляза стогодишнината от кончината на композитора. Той харесва тези образи, защото докато добрите герои са по-праволинейни, при лошите има промяна, нюанси, пластове. По думите му в работата си оперният певец първо приема една роля чрез гласа си, после я развива, но най-важно е да създаде с глас характера на героя и това е въпрос на природа, техника и интелект. Важна за успеха намира също симбиозата с диригенти и режисьори, която той лично постига с лекота.
Сред ролите му е и Алберих от „Пръстенът на нибелунга“ на сцената на Софийската опера, където е участвал в десетки заглавия. През месец декември му предстои участие с „Рейнско злато“ на Оперния фестивал в Стара Загора.
Пламен Димитров изгражда няколко десетки централни баритонови роли, които му донасят признание на сцени в Италия, Франция, Германия, Казахстан, Испания, Турция, Гватемала, Корея, Нидерландия, Япония, Китай, САЩ. Гастролира във всички оперни театри в България, основно в Софийска опера и балет, с която участва в турне в Япония през 2012 г. с ролята на Алфио от ,,Селска чест“ на Маскани. Изявява се и в чужбина в Grand opera в Канзас; Cerritos Center for the Performing Arts в Лос Анджелис; NJPAC в Ню Йорк; Magestic Theater в Бостън; Naples Opera и Cravis Center във Флорида; State Opera in New London в Кънектикът; FOX Theater Atlanta в Джорджия. Отличен е с награди и грамоти на оперния фестивал в Корея през 2014 г. и на оперетно-мюзикълния фестивал в Казахстан през 2017 г.