Внук кожевника, выписанного в Россию Императором Павлом I из Брауншвейга, родился на мельнице своего отца, близ Гатчины, 22 февраля 1802 года и тринадцати лет от роду поступил своекоштным воспитанником в Императорскую академию художеств. Не выказав при прохождении курса особенно блестящих успехов, он тотчас же по его окончании, в 1821 году, получил место чертёжника в комитете строений и гидравлических работ, из которого, четыре года спустя перешёл на службу архитектором-рисовальщиком в комиссию по сооружению Исаакиевского собора. Привлечён Огюстом Монферраном к работам в Зимнем дворце. В 1831 году Штакеншнейдер покинул службу в вышеупомянутой комиссии для того, чтобы свободнее заняться частными постройками, преимущественно же постройкой барского дома для графа А. Х. Бенкендорфа в его имении Фалль, в окрестностях Ревеля (Кейла-Йоа). Довольный своим архитектором, граф рекомендовал его императору, и с этого времени счастье начало всё более и более улыбаться Штакеншнейдеру.
Архитектор быстро приобрёл благоволение Николая I и стал получать от него одно за другим важные поручения и вскоре сделался привилегированным строителем царских и великокняжеских дворцов. Начав придворную службу в звании архитектора при дворе великого князя Михаила Павловича, он под конец своей жизни был главным архитектором департамента уделов, архитектором Собственного Его Величества дворца и заведующим постройками по загородным дворцам государыни императрицы.
В 1834 году, за составленный Штакеншнейдером по заданной программе проект «небольшого императорского дворца», Академия присудила ему звание академика. В 1837—1838 годах он сделал поездку для своего усовершенствования в чужие края с пособием от правительства, и посетил Италию, Францию и Англию. В 1844 году Академия возвела его в звание профессора 2-й степени Санкт-Петербургской Академии художеств без исполнения с его стороны программной задачи, как художника, уже имеющего громкую известность.
С 1848 года — архитектор императорского двора.
Работал в Санкт-Петербурге, Царском Селе, Петергофе, Новгороде, Москве, Таганроге, Крыму.
Дом Штакеншнейдера в Санкт-Петербурге на Миллионной улице, 10 (второй фасад выходил на наб. Мойки, 9) был центром культурной и общественной жизни художественной интеллигенции столицы. Архитектор приобрел его у титулярных советников М. Е. и Д. Е. Петровых и перестроил для своей семьи в 1852—1854 годах. В особняке проходили штакеншнейдеровские «субботы», на которых собирались поэты, писатели, артисты и художники, ставились любительские спектакли. Здесь бывали В. Г. Бенедиктов, И. А. Гончаров, Ф. М. Достоевский, И. С. Тургенев, Я. П. Полонский и другие. В 1865 году Штакеншнейдеры продали этот дом в связи с болезнью хозяина. Здание было перестроено в доходный дом.
У Штакеншнейдера также было и загородное имение — мыза Ивановка, находившееся недалеко от Гатчины и доставшееся ему от отца в конце 1850-х годов.
В последние годы жизни здоровье Штакеншнейдера, истощённое постоянными усиленными трудами, значительно слабело; для его поправления, он, весной 1865 году, по совету врачей, отправился в кумысное лечение в Оренбургскую губернию. Проведённое там лето, казалось, принесло ему пользу, но на возвратном пути в Петербург он почувствовал себя снова худо и умер в Москве 8 августа того же года. Архитектор был похоронен в Петербурге в Троице-Сергиевой пустыни в церкви Григория Богослова, построенной им самим (могила сохранилась).
Многочисленные произведения Штакеншнейдера очень разнообразны в отношении стилей, которые он, однако, не соблюдал в полной строгости, внося в них, с целью достижения пущей роскоши, произвольные изменения и прибавки.
Главное из его созданий — Мариинский дворец (ныне — резиденция Законодательного собрания Санкт-Петербурга), построенный в 1839—1844 годах на Исаакиевской площади.
Кроме него, в Санкт-Петербурге им сооружены:
Особенно богаты его постройками Петергоф и его ближайшие окрестности. Здесь ему принадлежат:
Из прочих трудов Штакеншнейдера заслуживают быть упомянутыми постройки, произведённые в Зимнем, Мраморном и Аничковских дворцах, внутренняя отделка Старого Эрмитажа, для предполагавшегося пребывания в нём цесаревича Николая Александровича, в Санкт-Петербурге, а также некоторые переделки в Ораниенбаумском и Стрельнинском дворцах.
Мариинский дворец в Санкт-Петербурге
Николаевский дворец в Санкт-Петербурге
Дворец Алфераки в Таганроге
Дворец Белосельских-Белозерских в Санкт-Петербурге
1854—1865 — набережная реки Мойки, 9.