Происходил из дворян Московской губернии, родился 25 апреля 1796 года, сын инспектора классов Сухопутного кадетского корпуса статского советника Ф. Стефана. Детство и молодость провёл в доме родителей, где получил весьма солидное для своего времени образование.
Вначале он был, несмотря на молодость, учителем математики в Петербургском лесном корпусе, но в 1816 году он определился колоновожатым в свиту Его Величества по квартирмейстерской части, а через два года был произведён за отличие в прапорщики.
С самого начала поступления на военную службу он зарекомендовал себя искусным съёмщиком и сведущим математиком. Производившиеся при его деятельном участии съёмки в Финляндии и в окрестностях Санкт-Петербурга, несмотря на новизну дела, отличались исключительной точностью.
Русско-турецкая война 1828—1829 годов потребовала от Стефана применения его военно-топографического опыта на театре развертывавшихся боевых действий. В 1828 году он был прикомандирован к главной квартире 2-й армии, находившейся под Шумлой, и здесь, на пространстве между Варнским лиманом и Кулевчей, а в следующем году под Силистрией, производил беспрестанные и непрерывные съёмки, в немалой степени помогая ими начальствующим лицам ориентироваться в местности и занимать более удобные положения. В мае того же года, находясь в авангарде, он лично участвовал в деле под Кулевчей, окончившемся поражением армии верховного визиря, и за отличие, оказанное в этом сражении, произведён в чин штабс-капитана.
Вообще в течение всей турецкой кампании Стефан, производя съёмки маршрута и окрестностей, в то же время, увлекаемый личною храбростью и боевым пылом, часто откладывал инструменты в сторону и становился в ряды активных воинов. Неоднократно участвовал в разных делах, причём за отличие в деле под Сливной и при взятии этого города был награждён орденом св. Владимира 4-й степени с бантом и произведён в капитаны. Об этом времени Стефан впоследствии написал записки «Два года в Турции (с июля 1828—сентябрь 1830 г.)», опубликованные в «Инженерном журнале», (1878 год, № 1, часть неофициальная, отделение II, страницы 1—42, № 2, страницы 43—74).
По окончании турецкой кампании Стефан, заявивший себя как отличный офицер Главного штаба, был назначен в число офицеров, полагаемых для особых поручений в распоряжение военного министра и генерал-квартирмейстера Главного штаба. В этом звании Стефан исполнял важные поручения и командировки по части производства топографических съёмок в Северо-Западном крае. Эти труды, а также некоторые изобретения Стефана, например, его системы буссоль и мензула — последняя названа даже именем изобретателя, «мензулой Стефана», и в 1835 году была удостоена вниманием императора Николая І, — все это вместе взятое обратило на Стефана внимание Императорской военной академии, и он в 1834 году был приглашен туда преподавателем военной географии.
С этих пор Стефан посвятил все свои силы этой академий и в продолжение 23 лет исполнял последовательно обязанности штаб-офицера, заведующего обучающимися офицерами, затем вице-директора (с 17 сентября 1848 года) и, наконец, в 1854 году (с 4 февраля), с преобразованием академии, её начальника. Будучи в последней должности, он вполне правильно поставил в академии съёмку и курсы высшей и низшей геодезии; впоследствии, по его ходатайству, офицеры геодезического отделения, по особой программе, прикомандировывались на два года к Пулковской обсерватории.
В течение 23-летней деятельности в академии Стефан не только снискал себе уважение и любовь многих поколений учащейся военной молодежи, но вместе с тем укрепил за собой репутацию отличного знатока съемки и картографии. Исполняя обязанности начальника академии, Стефан вместе с тем был назначен начальником отделения Военно-ученого комитета Генерального штаба.
В 1858 году, когда при новой постановке академии с неограниченным приемом офицеров, управление ей оказалось не под силу Стефану, удрученному болезнями и трудами, он оставил должность начальника академии и назначен был членом её совета, а вместе с тем членом учебного комитета военно-учебных заведений и совещательного комитета Главного управления Генерального штаба (преобразованного впоследствии в Военно-учёный комитет Генерального штаба).
Во время педагогической деятельности Стефан произведён был в генерал-майоры (в 1848 году), генерал-лейтенанты (в 1857 году) и получил ордена св. Станислава 1-й степени, св. Анны 1-й степени и св. Владимира 2-й степени, а в 1868 году, в день 50-летия его службы в офицерских чинах, ему пожалован орден Белого Орла. Кроме того, 11 декабря 1840 года за беспорочную выслугу 25 лет в офицерских чинах Стефан был награждён орденом св. Георгия 4-й степени (№ 6234 по кавалерскому списку Григоровича—Степанова).
Из печатных трудов Стефана наиболее примечательны его перевод с немецкого языка брошюры Штреннера «Генеральный штаб, практически согласованный с армией» (СПб., 1850) и фундаментальная статья «О глазомерных съёмках» (1854 год).
Стефан скончался 18 марта 1873 года, похоронен на Смоленском евангелическом кладбище. Он был женат на Наталье-Шарлотте урождённой Танненберг, их дочь — Екатерина, сыновья — Николай и Александр (оба были действительными статскими советниками).