斯蒂芬森家境贫寒，14岁时，开始操纵纽可门式气压蒸汽机。他从小在矿上长大，与煤矿工人有着特殊的感情，并且对煤炭运输的艰辛产生了很深的感触。于是，斯蒂芬森立志，一定要发明一种强有力的运输工具，解除煤矿工人的劳苦。从此他开始了对火车的研究。
斯蒂芬森与当时英国的大多数技师一样，没有受过任何正规教育。可是斯蒂芬森不顾别人怎样看待他，他对自己充满信心，决心从头开始。他说：“既然基础等于零，那就一切从零开始。”从此，他就开始参加夜校学习。
早在1803年，一个名叫特拉维西克的英国矿山技师首先利用瓦特的蒸汽机造出了世界上第一台蒸汽机车。这是一台单一汽缸蒸汽机，能牵引5辆车厢，它的时速为5～6公里。这台机车没有设计驾驶室，机车行驶时，驾驶员跟在车旁边走边驾驶。因为当时使用煤炭或木柴做燃料，所以人们都叫它“火车”，于是一直沿用至今。但是这台机车有很多缺点，经常出事故。1812年有人在铁轨上试行改进，但没有成功。到了1813年又有人为解决铁轨打滑问题进行了改进，也没有成功。就在这时，斯蒂芬森开始了对蒸汽机车的探索。
斯蒂芬森深知实践的重要。他不仅学习书本的知识，还十分注重实践。他仔细观察了当时人们制成的各种火车，研究比较了它们的优缺点。他还专程来到瓦特的故乡，深入研究瓦特蒸汽机构造原理。经过刻苦的钻研，他终于掌握了蒸汽机的性能，总结出许多试制蒸汽机车的经验。1814年，当斯蒂芬森33岁时，终于造出了第一台蒸汽机车。这台机车有两个汽缸，能牵引30吨货物，时速7公里，可以爬坡。
斯蒂芬森的火车大大提高了前人试制的机车的效率，斯蒂芬森所创造出的这种新的陆路运输工具，开创了运输事业的新时代。但这种火车仍然有许多不足之处。由于翻车事故，造成人员伤亡。因此有人硬说不如马车安全，蒸汽机喷汽时产生强烈的噪音，惊吓牛马，所以一些人阻挡、反对使用火车。斯蒂芬森又对火车进行了改进，其中最重要的是减少了噪音。
1823年，斯蒂芬森作为总工程师，完成了从斯托克顿到达林顿的世界上第一条40公里长的商业性铁路工程。起初这条铁路不是为行驶火车而铺设的，而是为马车运输铺设的。经斯蒂芬森的努力，终于促使英国政府同意让火车在这条铁路上行驶。
1825年9月27日，当由斯蒂芬森亲自驾驶他自己制造的“运动”号机车，载了450名旅客，以时速24公里从达林顿驶到斯托克顿时，铁路运输事业就从此诞生了。
从此，火车终于被世人承认。斯蒂芬森被世界公认为火车的发明人。直到1828年，马力运输才被机车运输取代。这一年在莱茵希尔进行了一次机车比赛，参加比赛的有三人，斯蒂芬森驾驶着他的“火箭号”机车以每小时58公里的速度行驶了100公里，战胜了对手“桑士巴里号”和“新奇号”，取得了优胜。
