Diplômé de l'American Academy of Dramatic Arts, Stephen McHattie débute sa carrière d'acteur à la fin des années 60, sur les scènes de Broadway. Il travaille ensuite beaucoup pour la télévision, et enchaîne des prestations très remarquées comme le rôle-titre du téléfilm James Dean (1976) et celui de l'ange Gabriel dans la série La Belle et la Bête (1987). L'acteur fait également des apparitions aux génériques de nombreux programmes cultes tels que Deux flics à Miami, New York District ou encore X-Files.

Sur grand écran, Stephen McHattie s'impose très vite comme un second rôle de grande valeur, apparaissant dans les années 70 aux génériques du film de guerre Le Baron rouge de Roger Corman, du film de science-fiction New York ne répond plus avec Yul Brynner, du drame Sauvez le Neptune, aux côtés de Charlton Heston, ou du film policier La Rage au cœur. Mais il reste un comédien rare au cinéma, préférant surtout se consacrer à la scène et à la télévision. Il est ainsi quasiment absent du grand écran dans les années 80 et 90.

Après des petits rôles dans le Géronimo de Walter Hill et dans Le Flic de Beverly Hills 3 au début des années 90, Stephen McHattie figure en 2002 au générique de la comédie noire La Secrétaire, puis incarne deux ans plus tard un impressionnant tueur sadique dans le History of Violence de David Cronenberg. Dès lors remarqué, cet acteur au visage émacié est sollicité pour le film d'action tonitruant Shoot'Em Up, puis dans la fresque méditative The Fountain, de Darren Aronofsky. Le réalisateur Zack Snyder le convie quant à lui à ses ambitieuses adaptations de romans graphiques : 300, d'après Frank Miller, et Watchmen, d'après Alan Moore, où il incarne le personnage du premier Hibou.

Toujours très présent à la télévision (on peut l'apercevoir entre autres dans les séries Fringe et Happy Town), l'acteur prend part à de modestes productions horrifiques - un genre qu'il semble affectionner -, ainsi qu'à des blockbusters à gros budget, tels que 2012 de Roland Emmerich (2009). Deux ans plus tard, on le retrouve de la même manière dans Les Immortels de Tarsem Singh, avant qu'il ne se tourne à nouveau vers l'épouvante avec The Secret, du Français Pascal Laugier, pour lequel il donne la réplique à Jessica Biel.