斯蒂芬森出生在英國的一個煤礦工人家庭。由於家境貧寒，8歲時不得不到礦上當童工，幹些擦拭機器和保管零件等雜活。當他長到14歲時，開始操縱紐可門式氣壓蒸汽機。天天與蒸汽機打交道，使他與蒸汽機交上了朋友，他從小在礦上長大，與煤礦工人有著特殊的感情，並且對煤炭運輸的艱辛產生了很深的感觸。於是，斯蒂芬森立誌，一定要發明一種強有力的運輸工具，解除煤礦工人的勞苦。從此他開始了對火車的研究。
斯蒂芬森與當時英國的大多數技師一樣，沒有受過任何正規教育。17歲時，他還認不得幾個字，科學知識更少得可憐。他是個被人瞧不起的小雜工。可是斯蒂芬森不顧別人怎樣看待他，他對自己充滿信心，決心從頭開始。他說：“既然基礎等於零，那就一切從零開始。”從此，他就開始參加夜校學習。
由於斯蒂芬森文化水平太低，17歲的他每天要同七八歲的兒童坐在一起上課。小同學都感到好奇，總是帶著譏笑的眼光看著他。為了學習，他對這些毫不在乎。白天幹活，晚上學習，就這樣憑著堅韌的毅力，他終於摘掉了文盲的帽子，閱讀了大量的科技書籍，掌握了製造火車的數理化專業知識。“火車”一詞是怎麽來的呢?早在1803年，一個名叫特拉維西克的英國礦山技師首先利用瓦特的蒸汽機造出了世界上第一台蒸汽機車。這是一台單一汽缸蒸汽機，能牽引5輛車廂，它的時速為5至6公裏。這台機車沒有設計駕駛室，機車行駛時，駕駛員跟在車旁邊走邊駕駛。因為當時使用煤炭或木柴做燃料，所以人們都叫它“火車”，於是一直沿用至今。但是這台機車有很多缺點，經常出事故。
1812年有人在鐵軌上試行改進，但沒有成功。到了1813年又有人為解決鐵軌打滑問題進行了改進，也沒有成功。就在這時，斯蒂芬森開始了對蒸汽機車的探索。
斯蒂芬森深知實踐的重要。他不僅學習書本的知識，還十分注重實踐。他仔細觀察了當時人們製成的各種火車，研究比較了它們的優缺點。他還專程來到瓦特的故鄉，深入研究瓦特蒸汽機構造原理。經過刻苦的鑽研，他終於掌握了蒸汽機的性能，總結出許多試製蒸汽機車的經驗。1814年，當斯蒂芬森33歲時，終於造出了第一台蒸汽機車。這台機車有兩個汽缸，能牽引30噸貨物，時速7公裏，可以爬坡。斯蒂芬森的火車大大提高了前人試製的機車的效率，斯蒂芬森所創造出的這種新的陸路運輸工具，開創了運輸事業的新時代。但這種火車仍然有許多不足之處。由於翻車事故，造成人員傷亡。因此有人硬說不如馬車安全，蒸汽機噴汽時產生強烈的噪音，驚嚇牛馬，所以一些人阻擋、反對使用火車。斯蒂芬森又對火車進行了改進，其中最重要的是減少了噪音。
1823年，斯蒂芬森作為總工程師，完成了從斯托克頓到達林頓的世界上第一條40公裏長的商業性鐵路工程。起初這條鐵路不是為行駛火車而鋪設的，而是為馬車運輸鋪設的。經斯蒂芬森的努力，終於促使英國政府同意讓火車在這條鐵路上行駛。
1825年9月27日，當由斯蒂芬森親自駕駛他自己製造的“運動”號機車，載了450名旅客，以時速24公裏從達林頓駛到斯托克頓時，鐵路運輸事業就從此誕生了。
從此，火車終於被世人承認。斯蒂芬森被世界公認為火車的發明人。
直到1828年，馬力運輸才被機車運輸取代。這一年在萊茵希爾進行的一次機車比賽，參加比賽的有3人，斯蒂芬森駕駛著他的“火箭號”機車以每小時58公裏的速度行駛了100公裏，戰勝了對手“桑士巴裏號”和“新奇號”，取得了優勝。