Сын полкового врача, иммигранта из Гольштейна, родившегося в Южной Америке. Мать - датчанка. В 14 лет вместе с семьей переехал в Копенгаген. Изучал богословие и естественные науки. В 1796 учился в Кильском университете, с 1797 – в Иенском университете, где слушал лекции Шеллинга и Фихте, познакомился с братьями Шлегель, Новалисом, Тиком, Брентано. В 1800 переехал во Фрайбург, испытал воздействие идей немецкого минералога Абрахама Готтлоба Вернера. С 1802 – снова в Копенгагене. Прочитал девять публичных лекций, имевших огромный успех, стал проводником идей немецкого романтизма в Дании, повлиял на Эленшлегера и Грундтвига. Шлейермахер пытался – без успеха – выхлопотать для Стеффенса кафедру в Берлинском университете.
С 1804 Стеффенс – профессор минералогии, физиологии и естественной истории университета в Галле, с 1811 по 1832 – в Бреслау. Во время битвы под Лейпцигом (1813) записался в прусскую армию в чине лейтенанта, участвовал во взятии Парижа. С 1832 преподавал в Берлинском университете, в 1834-1835 был его ректором.
Натурфилософские идеи Стеффенса, который отталкивался от новейших открытий в физике и геологии и ставил в центр органического мира принцип индивидуализации, оказали влияние на его учителей – Шеллинга и Шлейермахера. Учением Стеффенса о цвете интересовался Гёте, между ними шла оживленная переписка. Автор романов и новелл. В последние годы жизни написал десятитомную автобиографию «Пережитое», его воспоминания о круге романтиков не раз переиздавались.