Filho de um casal de atores (o seu pai Landers Stevens ganhou alguma notoriedade como ator docinema mudo), e cedo pisou os palcosteatrais. Ainda adolescente, ganhou um especial interesse pelafotografia.
Com 17 anos, empregou-se emHollywood como assistente de câmara, não demorando a ser promovido acameraman principal, por influência do produtorHal Roach, que o colocou a trabalhar em algumas comédias deStan Laurel eOliver Hardy comoTwo Tars de 1928 eBig Business de 1929. Em 1930, estreou-se como realizador, rodando doiscurtas-metragens simultâneas:Ladies Last eThe Kickoff. Foi nos estúdios daRKO Pictures que fez o seu primeirolonga-metragem:The Cohens and Kellys in Trouble de 1933. Entre 1933 e 1934, Stevens foi um dos realizadores mais profícuos de Hollywood, realizando onze títulos.
O seu primeiro filme de sucesso foiAlice Adams (Sonhos Dourados, 1935), onde fez uma recriação do dia-a-dia de uma pequena cidade norte-americana cuja personagem principal (interpretada porKatharine Hepburn) tenta melhorar as suas condições de vida através de um casamento de interesse, acabando por se apaixonar por um rapaz humilde (Fred MacMurray). O realizador enveredou depois pelomusical, dirigindo a duplaFred Astaire -Ginger Rogers emSwing Time (Ritmo Louco, 1936). As opções de Stevens resultavam bem em termos de bilheteira. Comprovou-o emGunga Din de 1939, umfilme de aventuras desenrolado naÍndia, em finais doSéculo XIX, e centrado na história de três sargentosingleses (Cary Grant,Douglas Fairbanks Jr. eVictor McLaglen) que fogem da perseguição de umculto de assassinos.
Seguiram-se outros filmes que ajudaram a estabelecer uma sólida reputação à sua carreira:Woman of the Year (A Primeira Dama, 1942) foi o primeiro filme em conjunto do futuro casalSpencer Tracy e Katharine Hepburn eThe More the Merrier (Gentes a Mais… Casas a Menos, 1943), que conferiu a Stevens a sua primeira nomeação para oÓscar de Melhor Realizador. Durante aSegunda Guerra Mundial, foi operador de câmara doexército norte-americano, tendo filmado momentos cruciais como o desembarque do exército aliado nas praias daNormandia e a libertação dos prisioneiros judeus docampo de concentração de Dachau.
Voltou ao activo comI Remember Mama (O Seu Grande Mistério, 1948), ummelodrama sobre um casal de imigrantes nórdicos que tenta iniciar uma nova vida nos Estados Unidos. Adécada de 1950 foi a mais frutuosa para Stevens. Venceu o seu primeiro Óscar porA Place in the Sun (Um Lugar ao Sol, 1951), um retrato cru damoral norte-americana, que venceu seis Óscares e que guindou ao estrelato os actoresMontgomery Clift eElizabeth Taylor. Seguiram-seShane de 1953, um clássico doswesterns sobre um herói solitário (Alan Ladd) que protege uma família das investidas de um poderoso fazendeiro, e aquela que foi considerada como a sua obra-prima, a sagaGiant (O Gigante /Assim caminha a humanidade, 1956), que retrata o confronto entre um barão de gado (Rock Hudson) e um milionário dopetróleo (James Dean), que valeu a Stevens novo Óscar. A partir daí, rodou mais três filmes:The Diary of Anne Frank (O Diário deAnne Frank, 1959),The Greatest Story Ever Told (A Maior História de Todos os Tempos, 1965, com Max von Sydow) eThe Only Game in Town (Quando o Jogo É o Amor, 1970).
Recebeu seis nomeações na categoria de Melhor Filme, porThe Talk of the Town (1942),The More the Merrier (1943),A Place in the Sun (1951),Shane (1953),Giant (1956) eThe Diary of Anne Frank (1959).
Recebeu cinco nomeações na categoria de Melhor Realizador/Diretor, porThe More the Merrier (1943),A Place in the Sun (1951),Shane (1953),Giant (1956) eThe Diary of Anne Frank (1959); venceu porA place in the Sun eGiant.