Apja bányában dolgozott, a vizet kiszivattyúzó gőzgépet kezelte, így a fiú útja is a mélybe vezetett, ahol hamar megismerkedett a gőzmasinával. Első "műve" az 1814-ben készült Blücher ugyan mai szemmel kezdetlegesnek tűnik, de ez volt az első olyan jármű, amely a Stephenson által úttörőként alkalmazott peremes kerekeinek köszönhetően a síneken maradt, és 4 kilométeres sebességgel 30 tonna súlyt tudott elvontatni.
A Stockton-Darlington-vasútvonal megnyitására 1825. szeptember 27-én került sor, a 14 kilométeres, jelentéktelen szárnyvonalon, ahol a világ első vasúti hídja is megépült, a sínek nyomtávja 4 láb és 8,5 hüvelyk, azaz 1435 mm volt, ez a mai normál nyomtáv.
Stephenson Locomotion nevű gőzmozdonya által 38 kocsiban 600 utast szállított helyenként óránként 24 kilométeres sebességgel, a teljes vontatási súly 70 tonna volt. A szárazföldi közlekedés történetében most először fordult elő, hogy az ember a lónál gyorsabban utazott. Az utasok többsége nyitott szénszállító kocsiban ült, de az előkelőségeket kísérleti jelleggel egy kezdetleges személyszállító vagonban helyezték el. (A Locomotion 1857-ben ment nyugdíjba és ma is látható Darlington állomáson.)
Stephenson Rocket (Rakéta) elnevezésű gőzmozdonya 1829-ben már 21 kilométeres átlagsebességgel, 34,4 kilométeres csúcssebességgel nyerte meg a rainhilli mozdonyversenyt. Egy évvel később megnyitották a Liverpool-Manchester vasútvonalat és a vasparipa elindult világhódító útjára.