Née en banlieue parisienne au milieu des années 1950, Stéphane Hillel se tourne rapidement vers le théâtre. C’est en 1976 que le jeune comédien débute dans le film culte À nous les petites Anglaises ! de Michel Lang dans lequel il incarne le personnage de Jean-Pierre. Après ce premier rôle remarqué, l’acteur tourne à deux reprises sous la direction de Michel Gérard. Tout d’abord dans Arrête ton char… bidasse ! (1977) puis dans C’est dingue...mais on y va (1979).

Prédisposé au genre de la comédie, Stéphane Hillel tourne dans plusieurs films en Allemagne comme La fac en délire de Franz Antel (1979) et Heiße Kartoffeln de Sigi Rothemund (1980). En France, le comédien apparaît surtout à la télévision dans plusieurs téléfilms comme Les Temps difficiles de Georges Folgoas (1985) et La Compagnie de Sarah de Stéphane Loison (1989) face à Maria Pacôme et Irène Jacob.

À partir des années 1990, Stéphane Hillel se fait plus rare au cinéma et à la télévision, privilégiant davantage le théâtre, à la fois comme acteur et metteur en scène.

Nommé à plusieurs reprises aux Molières, il remporte le prestigieux trophée en 2003 pour sa mise en scène de la pièce Un petit jeu sans conséquence de Jean Dell et Gérald Sibleyras, un an après avoir été nommé directeur artistique du Théâtre de Paris. Quelques années plus tard, il en devient directeur général à la suite de l’achat de la société d’exploitation de l’établissement avec Richard Caillat.

Les années 2000 marquent ses retrouvailles avec les plateaux de cinéma après une pause de 25 ans. En 2005, il est ainsi à l’affiche des comédies Le démon de midi de Marie-Pascale Ostherrieth et Je vous trouve très beau d’Isabelle Mergault. Il s’illustre également dans le thriller Le Nouveau protocole de Thomas Vincent (2009), aux côtés de Clovis Cornillac et Marie-Josée Croze.

Par la suite, Stéphane Hillel se retire du monde du cinéma et de la télévision pour se concentrer uniquement au théâtre. Il signe plusieurs mises en scène comme Sunderland de Clément Koch (2011), Maris et femmes de Woody Allen (2016) ou encore Ramses II de Sébastien Thiéry (2017).

En 2021, le comédien retrouve néanmoins le grand écran avec le film Tout s’est bien passé de François Ozon dans lequel il donne la réplique à Sophie Marceau et André Dussollier.