1781年斯蒂芬逊出生于英国诺森伯兰城（后改名为纽卡斯尔）的华勒姆村，父亲是煤矿工人，家境十分贫寒。为了帮助家里维持生活，8岁时不得不去给别人放牛。他14岁就跟着父亲到煤矿去做工。当时英国的煤矿里已经使用蒸汽机抽水，他的工作就是擦拭这些机器，给机器加油，后来他又担任矿里机器的保管。对机器长期接触的实践以及他对科学知识的刻苦钻研，不仅搞清了蒸汽机的构造和原理，还学会了操作当时矿里用的各种机器。
但是斯蒂芬逊认为，将来自己无论做什么工作，都需要充足的知识才行。所以，18岁时，他开始上夜校，学习读书、写字和打算盘。1803年，一件值得庆祝的事情来临了，他生了一个儿子，取名叫罗伯特，儿子的到来，使他平淡的生活多了一份喜悦。此时，他已是基林格沃斯矿山的主任技师。随着英国工业的迅速发展，矿山的采掘已经越来越重要了。斯蒂芬逊为了能够更好地开矿，特意为矿山引进了许多新的机器，并对它们进行进一步改进。在这个过程中，他还为搬运矿石用的矿车铺设了轨道，使搬运更加简单化，这是一件具有划时代意义的事件。并且，在当时，斯蒂芬逊作为“机械博士”就已经十分有名了。
1812年，他30岁时被任命为基林格沃斯矿山的机械技师长，他也因此免费得到了住宅和供应煤，年收入达100多英镑。另外，他根据自己的亲身经历，认识到没有学问就不能干好工作，所以他让自己的儿子罗伯特从小就受到良好的教育，避免走自己的老路。罗伯特在纽卡斯尔的布鲁斯学校受到了初等教育，后来进入了爱丁堡大学继续深造。斯蒂芬逊也并没有放松自己，父子两人共同学习，一起去听重要的讲课和报告。罗伯特又和父亲一起劳动了几年，最后终于成为了一位著名的技师，这里面也有其父斯蒂芬逊的一份功劳。
1804年，英国出现了一种铁道用机车。这种车主要用于装载货物，用以提升劳动速度。这种机车能够装载10吨铁和70个人，以时速4千米的速度行驶。然而，很多人都不相信这种机车。他们认为，如果装上了货物的话，行驶在铁轨上的铁制的车轮就要空转。
但是，斯蒂芬逊却是个例外，他并不认为这种机动车无法在铁轨上使用，相反的是他认为这是一个很好的主意，只是稍加改动。他想起了在矿山开矿的时候，用蒸汽动力来代替马力运动的情景。于是斯蒂芬逊通过不断的钻研和之前在矿山工作中积累的经验，终于成功地解决了这个问题，成为了当时的权威人士。
1813年，为了在附近的煤矿上使用，他制作了第一台移动机械，第二年的7月25日，这台运煤车开始运行，并取得了成功。它以6.5千米的时速在坡道上行驶，可以运煤30吨。这无疑是一件历史性的突破。1815年，他又制作了第二台搬运车，这台车的运煤量比上一台车更多了。然而，这种车的很多地方都是根据之前的机械车基础制作的。1816年，他制作了第三台机械车，这台搬运车才真正是属于斯蒂芬逊独自发明的。通过装在外部的连接杆连接车轮，可以更好地控制车的速度和刹车，为机械车的顺利使用提供了进一步的保障。在接下来的几年里，斯蒂芬逊为各地的煤矿制作了55台煤矿用机械，其中有16台机械车。
但他并不满足于只开发煤矿用机械车，他开始对火车制造产生很大的兴趣。斯蒂芬逊对当时的火车制造与行驶中存在的大量问题，做了详细的分析，并进行了各种试验。终于在1825年，世界上第一台客货运蒸汽机车“旅行号”在他的设计与指导下建成了。新车制成后，在斯多克敦至达林伦敦路上试车，车速每小时达15英里（24千米），车上载客450人，列车载重共90吨，这次试车成功，开辟了陆上运输的新纪元。
后来，斯蒂芬逊还负责了英国两大城市利物浦和曼彻斯特之间铁路的建筑工程，但当时，机车还没有得到普及。因此，在使用马车还是机车这个问题上，还有所争论。政府方面要求，禁止使用这种机车，因为高压蒸汽对人的生命有所威胁。但是仍有一大批拥护者支持新机车的使用，支持者们曾提供500英镑的奖金，悬赏最好的机车。
到了1828年，经过协商和利弊的讨论，政府才做出让步，决定停止使用马力，新机车开始奔驰在这条铁路线上。1829年10月在利物浦附近的赖布尔举行了一次火车功率比赛，参加竞赛的斯蒂芬逊新制的机车“火箭号”，最高时速达46.4千米（平均时速22千米），牵引17吨，在规定的112.6千米距离中行驶，没有发生故障。它的速度比当时的四套马车快两倍以上。铁路运输的优越性，从此得到确认，推动了资本主义工商业的发展。
据《利物浦光明报》报道，有一万多名观众观看了这次比赛。另据报纸报道称：“这次实验取得了一个重要成果，它将改变国内整个交通结构。”这样，大英帝国的铁路事业就开始了新的发展。到斯蒂芬逊去世以前，他一直从事铁路建设、机车制造工作。由于斯蒂芬逊的科学技术成就和杰出的贡献，他被后人称为近代蒸汽机车的奠基人。