生于威兰姆，卒于切斯特菲尔德。8岁时进入煤矿工作，从事清除石子、指挥马匹和消防员的工作。17岁时成为工程师，负责维护和使用矿井中的卷筒提升机。18岁在夜校开始学习读写和数学，自学机械原理，能够熟练操作多种矿井设备，成为矿井负责人。1811年，设计井下作业所需的安全灯，经过多次改良，于1815年完成并投入使用。

史蒂芬逊最主要的贡献是对火车头的改良，并意识到对火车头和轨道的改良要同步进行。1814年上半年，设计完成火车头“布罗切”号，包含了现代火车机车的特点，配合铁质轨道运行。1821年，以工程师的身份加入斯托克顿—达令顿铁路项目。1824年建立公司，为该铁路项目生产了8吨重的机车，于1825年9月27日投入使用。之后参与营建利物浦—曼彻斯特等众多铁路项目，或提供建议，直至1845年。1829年，他与儿子R.史蒂芬逊一同完成了“火箭”号蒸汽机车，速度超过同一时期其他经过改良的机车。他所采用的铁路轨距成为不列颠的标准轨距，也成为世界上超过半数的铁路所使用的轨距。