Dopo anni passati a calcare i palcoscenici teatrali e a recitare al cinema e in televisione come comprimario, nel 2009 ottiene la fama internazionale grazie ai fratelli Coen, che gli affidano la parte da protagonista nel loro film "A Serious Man". Per la sua interpretazione nella pellicola dei Coen, Stuhlbarg viene candidato al Golden Globe 2010 e vince un Satellite Awards come miglior attore in un film commedia o musicale. Nel 2011 viene nuovamente diretto da Martin Scorsese, interpretando René Tabard in "Hugo Cabret", mentre l'anno successivo compare in film come "Men in Black 3", "7 psicopatici", "Hitchcock" e "Lincoln" di Steven Spielberg.