Stéphane Brizé commence ses études en effectuant un DUT d'électronique lui permettant très tôt de côtoyer le monde de la télévision et du cinéma en devenant technicien de l'audiovisuel. Installé à Paris, il en profite pour s'inscrire à des courts d'art dramatique qui le passionneront jusqu'à se spécialiser dans le métier d'acteur et mettre en scène plusieurs pièces de théâtre.

Décidé et téméraire, il choisit en 1993 de passer à la réalisation avec le court-métrage Bleu dommage qui remporte le Grand Prix du Festival de Cognac. En 1996, il continue sur cette lancée en réalisant L'Oeil qui traine gagnant du Grand prix du Festival de Vendôme, de Rennes, de Mamers et d'Alès, ainsi que le Prix d'interprétation masculin au Festival de Saint-Denis.

Fort de toutes ces récompenses, il passe au clip vidéo (pour le chanteur Peter Kröner) avant d'en venir au long-métrage. Avec l'aide de son amie Florence Vignon, ils écrivent ensemble Le Bleu des villes en 1999 qui est présenté à la Quinzaine des Réalisateurs et remporte le prix Michel d'Ornano du meilleur scénario. Le film est un succès dans les salles.

Après un documentaire inédit, la région Centre Val de Loire lui propose un nouveau projet audacieux : écrire puis tourner un film en dix jours avec l'aide de comédiens professionnels n'ayant aucune expérience cinématographique. Le résultat sera le film Entre adultes, produit par Claude Lelouch. Il faudra cependant attendre le succès de son troisième long-métrage pour voir ce second projet dans les salles.

Car avec Je ne suis pas là pour être aimé, sorti en 2005, le réalisateur arrive de nouveau à toucher le public en évoquant la vie d'un homme sans sentiments ni expressions (interprété par Patrick Chesnais) s'ouvrant petit à petit au monde grâce à des cours de tango. Le film fut présenté au festival de San Sebastian et reçu plusieurs nomminations aux Césars 2006.

Passant aussi devant la caméra en tournant pour Thomas Vincent dans Le Nouveau protocole, on le retrouve dans les salles en 2009 avec un drame sentimental, Mademoiselle Chambon, tiré d'une oeuvre de Eric Holder et coécrit de nouveau avec Florence Vignon pour lequel il est recompensé par le César de la Meilleure Adaptation en 2010 avec sa collègue Florence Vignon.

Trois ans après, il revient avec Quelques heures de printemps, long métrage porté à nouveau par Vincent Lindon, et Hélène Vincent. Le film décroche quatre citations aux César 2013 (Meilleur réalisateur, Meilleure actrice, Meilleur acteur et Meilleur scénario original).

Le metteur en scène refait ensuite équipe avec Vincent Lindon pour La Loi du marché, film social réaliste engagé dans lequel l'acteur joue un père de famille qui commence un nouveau travail d'agent de sécurité dans une grande surface après une longue période de chômage. La performance de Lindon est récompensée, entre autres, à Cannes et aux César. 

Rapidement, Stéphane Brizé livre son nouveau film, Une vie, qui est adapté du premier roman de Guy de Maupassant et comprenant Judith Chemla, Jean-Pierre Darroussin, Yolande Moreau et Swann Arlaud dans le rôles principaux. Il poursuit, en 2018 et 2022, avec En Guerre et Un autre monde qui composent les deux derniers volets de la trilogie du travail. Là encore, Lindon livre deux performances de haute volée.

Le cinéaste change ensuite de registre en 2024 avec Hors-saison, une comédie dramatique et mélancolique se déroulant dans une station balnéaire, avec Guillaume Canet et Alba Rohrwacher.