Gyermekkorától érdeklődött a mechanikai szerkezetek iránt. Newcastle-tól 11 kilométerre, Killingworth szénbányájának gépészeként sorra megismerkedett a korabeli gőzgépekkel és szenvedélyesen tanulmányozta a forgó mozgás kialakításának fortélyait. Azt világosan látta, hogy a csillék vontatásához nem lehet egy Watt-gőzgép szerkezeti felépítését alkalmazni, ezért hosszas kísérletezésbe kezdett. Elsőként ismerte fel azt az elvet, hogy a sima abroncsú kerekek és a sima színfelület között tapadás lép fel. A gőzmozdony tűzterének léghuzatát azáltal növelte meg, hogy a távozó fáradt gőzt bevezette a füstkéménybe, a kazántér hevítéséhez pedig csőnyalábot alkalmazott. Ezen elvek alapján 1814-ben ő építette az első üzemképes gőzmozdonyt, majd 1823-ban Newcastle-ban megalapította az első mozdonygyárat. Az általa épített és 1825-ben Stockton és Darlington között megnyílt vonal volt az első, rendszeres személyforgalmat lebonyolító gőzüzemű vasút. Leghíresebb mozdonyát, a Rocket-et (Rakéta), amely 58 km-es sebességgel haladt, 1829-ben építette. Amikor a vasútvonal megnyitásának híre eljutott Magyarországra, Kultsár István, a kor vezető újságírója ezt írta a Magyar Kurírban: "Valami Stephenson nevű anglius olyan masinát fundált ki, melyet füsttel és forróvízzel hajtanak. Higgye, aki akarja". Chesterfield-ben halt meg 1848. augusztus 12-én.
