Stanley Donen commence sa carrière de danseur professionnel à Broadway en 1940 dans la revue Pal Joey de George Abbott. Il y fait la connaissance de Gene Kelly et l'assiste pour monter Best Foot Forward (1941) dont il devient également danseur et chorégraphe de la version filmée en 1943. Il collabore dès lors beaucoup avec Gene Kelly pour les numéros dansés de La Reine de Broadway (1944, Charles Vidor), Escale à Hollywood (1945, George Sidney) ou encore Match d'amour (1949, Busby Berkeley). Les réalisateurs lui confient même la direction de scènes entières, dont celle d'Escale à Hollywood où Gene Kelly danse avec Tom & Jerry.

C'est en 1949 qu'il co-réalise son premier film Un jour à New York, révolutionnaire pour avoir transporté la caméra en extérieur. Il innove encore pour son film suivant, Mariage royal (1950), en faisant danser Fred Astaire sur les murs de sa chambre ou avec un porte-manteau. De nouveau associé à Gene Kelly et au producteur Arthur Freed, il co-réalise en 1952 la plus célèbre des comédies musicales Chantons sous la pluie. Toujours en quête de nouveauté, les chorégraphies des Sept Femmes de Barberousse (1954) sont les premières à tirer profit du Cinemascope. Drôle et aérien, sans empêcher une certaine mélancolie (1957, Drôle de frimousse), Stanley Donen s'applique à éclater les limites du genre.

Egalement réalisateur de comédies depuis 1952 (Love is better than ever), le déclin des musicals précipite sa reconversion à partir de 1958 où commence sa période anglaise. Le succès tarde d'ailleurs à venir (1958, Indiscret) mais il renouvelle le genre avec Charade (1963) et Arabesque (1966) en mêlant comédie, romance et suspense. Bien que très différents les uns des autres, il réalise ensuite coup sur coup trois de ses films les plus personnels. Dans Voyage à deux (1967), il suit les désillusions d'un couple marié puis revisite dans un style délirant le mythe de Faust (1967, Fantasmes), avant de se risquer dans les tourments d'un couple homosexuel vieillissant (1969, L' Escalier).

Stanley Donen tourne encore quelques films, dont un adieu à la comédie musicale dans Folie-Folie (1978), mais le succès n'est plus au rendez-vous. Retiré du cinéma depuis 1984, il a depuis réalisé pour la télévision Love Letters (1999).