Хотя это старый вопрос, я все же хотел бы указать на более подробный ответ .
По сути, matplotlib может работать с объектами datetime.datetime самостоятельно. Вы можете просто подключить их как данные. Чтобы исправить форматирование, используйте:
xfmt = matplotlib.dates.DateFormatter('%H:%M:%S:%f')
ax.xaxis.set_major_formatter(xfmt)
ax.plot(datetimes, data)
Настройте формат в соответствии с вашими потребностями. Описание форматирующих директив можно найти в PythonLibrary в 8.1.7.