Nato a Fort George G. Meade in Maryland[1] — sede della National Security Agency — la famiglia di Stephenson è composta di ingegneri e scienziati. Il padre è un professore di ingegneria elettrica, già figlio di un professore di fisica; la madre lavorava in un laboratorio biochimico, già figlia di un professore di biochimica. La famiglia di Stephenson si trasferì a Champaign-Urbana, Illinois nel 1960 e poi ad Ames, Iowa nel 1966. Dopo il diploma ottenuto presso la Ames High School nel 1977[2], Stephenson continuò gli studi presso l'Università di Boston[2], inizialmente specializzandosi in fisica, poi, dopo aver scoperto di poter passare più tempo sul mainframe dell'università, passò a geografia[3]. Si laureò nel 1981 con un bachelor in geografia[2]. Il suo primo romanzo, The Big U, fu pubblicato nel 1984[4].
Oltre alla narrativa, Stephenson scrive articoli sulla tecnologia in pubblicazioni come Wired Magazine, e collabora a tempo parziale con la Blue Origin, un'azienda (fondata da Jeff Bezos) che sta sviluppando un sistema di lancio suborbitale per missioni con un carico umano.