Nasceu em Allegheny, Pensilvânia, no dia 3 de fevereiro de 1874. Estudou psicologia no Radcliffe College (o anexo de Harvard reservado a mulheres) e medicina na Universidade Johns Hopkins. Mudou-se para Paris com o irmão, Leo Stein, em 1903, com quem morou até meados de 1909, quando conheceu aquela que seria sua companheira para toda a vida, Alice B. Toklas (1877—1967).
Stein escreveu dezenas de livros e poemas e chegou a inventar um gênero literário, o “retrato” [portrait] — uma tentativa de fazer com palavras o que os pintores vanguardistas, em especial os cubistas, faziam com tinta e cores. Curiosamente, porém, seu romance mais famoso, A autobiografia de Alice B. Toklas, é o que menos representa sua prosa experimental. Faleceu em Neuilly-sur-Seine, França, em 27 de julho de 1946, aos 72 anos.
