Mecànic d’ofici, es dedicà inicialment a la reparació de rellotges. El 1812 passà a treballar com a enginyer a les mines de Killingwood i començà a elaborar el projecte de la primera locomotora de vapor. El 1814 n'efectuà les primeres proves i aconseguí de fer-la córrer sobre unes vies de ferro. El 1825 fou inaugurada la línia del ferrocarril Stockton-Darlington, que funcionà amb una locomotora construïda per ell. Successivament, introduí nous perfeccionaments a les locomotores, fins a arribar a la cèlebre The Rocket, construïda amb la col·laboració del seu fill Robert Stephenson (Willington 1803 — Londres 1859). Ambdós contribuïren a l’expansió del ferrocarril a la Gran Bretanya i a Europa.