El uso principal de matplotlib has ido desde su origen la generación de figuras de alta calidad para publicaciones y, por lo tanto, estáticas.

No obstante, [aquí](https://elrobotista.com/grafica-sensores-tiempo-real/) tienes un ejemplo completo con la aplicación que buscas descrita en español.

El código completo, [disponible en el GitHub del autor](https://github.com/elrobotista/serial_port) con licencia MIT, es el siguiente:

    import serial
    import json
    import matplotlib.pyplot as plt
    import matplotlib.animation as animation
    import threading
    import numpy as np
    
    # Puerto Serial
    port = serial.Serial('/dev/ttyACM0', 115200, timeout = 1.)
    
    # Creemos los ejes y la figura donde graficaremos.
    fig, ax = plt.subplots()
    
    # Este diccionario almacenara los datos del sensor.
    signal = {'x': [], 'y': [], 'z': []}
    
    # Estas lineas dibujaran los datos en la figura.
    lines = [ax.plot([], [])[0] for _ in signal.iterkeys()]
    
    # Usaremos esta variable para detectar autoescalado de la grafica.
    ylim = ()
    
    
    # La funcion stream sera llamada periodicamente por el timer
    # cada numero determinado de milisegundos definido por la variable
    # rate.
    def stream():
        # Esta es la cadena de caracteres leida por el puerto serial
        # en formato JSON.
        raw_data = port.readline()
        try:
            # El modulo json permite convertir un string en formato JSON a
            # diccionarios de Python. Si el string no viene en el formato adecuado
            # o la informacion se corrompe, el programa nos lo reporta en
            # el bloque de excepcion ValueError;.
            json_data = json.loads(raw_data)
            for k in signal.iterkeys():
                signal[k].append(json_data[k])
        except ValueError:
            print('Could not read data: %s', raw_data)
        # Si el puerto sigue abierto, programamos otra llamada a la funcion para
        # volver a leer el puerto serial.
        if port.is_open:
            threading.Timer(10 / 1000., stream).start()
        else:
            print('Not streaming anymore!')
    
    def animate(i):
        # Las siguientes dos lineas de codigo auto ajustan el eje
        # de las Y en funcion del contenido de la grafica. Me tomo
        # algo de tiempo encontrar estas funciones. Cuidenlo con su
        # alma y compartanlo!
        global ylim
        ax.relim()
        ax.autoscale_view()
        if ax.get_ylim() != ylim:
            # Esta parte del codigo lo que hace es monitorear los valores
            # del limite del eje Y para detectar cuando la grafica ha sido
            # reajustada. Esto para redibujar las etiquetas del eje Y a
            # medida que se reajusta. Si no, las etiquetas permanecen mientras
            # el eje se reajusta. Por lo que los valores no coinciden con lo
            # desplegado en el eje. Los invito a removerlo para que vean a
            # lo que me refiero.
            ylim = ax.get_ylim()
            fig.canvas.draw()
        for name, line in zip(signal.keys(), lines):
        # Si no hay datos nuevos, ni siquiera nos molestamos en intentar
        # graficar.
            if len(signal[name]) > 0:
                _, ly = line.get_data()
                ly = np.append(ly, signal[name])
                _xdata = np.arange(ly.size)
                line.set_data(_xdata, ly)
                # La informacion ha sido graficada. Ya nos podemos deshacer
                # de ella.
                signal[name] = []
            else:
                print('Signal has no data')
        return lines
    
    if __name__ == '__main__':
        ani = animation.FuncAnimation(fig, animate, interval=50, blit=True)
        stream()
        plt.show(block = False)
        while raw_input('Hit Q to exit.\n\r> ').lower() != 'q':
            pass
        port.close()

Para representar figuras en tiempo real tienes otras soluciones que quizás te sean más sencillas:

* [Plotly](https://plot.ly/python/streaming-tutorial/)
* [Bokeh](https://bokeh.pydata.org/en/latest/docs/user_guide/server.html)
* [PyQtGraph](http://www.pyqtgraph.org/)