史蒂文·温伯格出生于一个犹太移民家庭，但他是一个无神论者。1950年他和谢尔登·格拉肖一起毕业于布朗克斯高中，随后他和格拉肖都进入了康奈尔大学，1954年他拿到了学士学位。随后他去往哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究所攻读研究生，开始了他的研究生涯。一年之后，他回到普林斯顿大学，在山姆·特雷曼教授的指导下攻读博士学位，1957年博士毕业。
博士毕业后，温伯格分别到哥伦比亚大学(1957-1959)和加州大学伯克利分校(1959)做博士后，随后成为伯克利的教师(1960-1966)。在此期间他研究过粒子物理中的许多课题，包括量子场论的高能行为，对称性破缺，π介子的散射，红外光子和量子引力。同时他还发展了导出量子场论的方法，这些方法成为后来他的著作《场的量子理论》的第一章。并且着手写《引力与宇宙学》。这两本书，特别是后者，是在各自领域最有影响力的教材之一。
1966年，温伯格离开伯克利，接受了哈佛大学提供的讲师职位。1967年他成为MIT的客座教授。正是在MIT的这一年里，温伯格提出了统一电磁作用和弱相互作用的模型，其中他把弱相互作用的中间玻色子的质量来源归于对称性自发破缺，从而解决了质量项破坏规范对称性的问题。这一模型的重要结论之一是必须存在希格斯粒子。温伯格的模型现在称为电弱统一理论，它与格拉肖在1961年提出的模型具有相同的结构。这两个模型都预言了当时尚未发现的轻子之间的相互作用，现在称为中性流，通过Z0传播。1973年实验上发现了Z0，验证了电弱统一理论。温伯格提出这一理论的文章是到2010年为止粒子物理中引用率最高的理论文章。
在这个辉煌的成果之后，温伯格在粒子物理中的许多方向继续研究，包括量子场论，引力，超对称，超弦和宇宙学，以及一个称为Technicolor的理论。
1967年之后，基本粒子理论的标准模型在许多人的努力下逐渐发展起来。其中电弱统一理论由温伯格，谢尔登·格拉肖和阿卜杜勒·萨拉姆一起完成，它与描述夸克之间强相互作用的理论相容，形成了一个整体的理论。1973年温伯格提出了标准模型的一个不含有希格斯粒子的修改理论。
1973年温伯格成为了哈佛大学的希金斯教授。
1979年温伯格提出了对量子场论重整化的现代观点，认为所有的量子场论都是有效理论，并且改变了对以往理论(包括他自己在1967年文章中提出的理论)的看法，提出合理的量子场论都应该是可重整的。这个观点开辟了一系列有效理论的发展，包括量子引力，低能QCD和重夸克有效场论，它在目前的研究中仍然有相当的吸引力。
1979年，在发现中性流-即发现Z玻色子-六年之后，以及在1978年实验验证了由于Z玻色子与电磁作用混合引起的宇称破缺的一年之后，温伯格和格拉肖，萨拉姆一起获得了当年的诺贝尔物理学奖。
1982年温伯格作为一个基金会的科学部主席来到德州大学奥斯汀分校，并且成立了该物理系的理论组。
2008年，温伯格在1976年提出的一种新的强相互作用(被李奥纳特·苏士侃称为Technicolor)再度成为热点，因为LHC计划开始运行，它作为排序问题的一个解决问题有可能被观测到。
温伯格是拥有最高的一些研究效应指标的的顶尖科学家，例如H指数和创造力指数，这充分证实了他的影响力和重要性。
