Født i Fort Meade, Maryland, Stephenson kom fra en familie av ingeniører og vitenskapsfolk som han kaller . Faren er professor i elektronikk og faren hans var professor i fysikk; moren arbeidet i et biokjemisk laboratorium, og faren hennes var professor i biokjemi. Stephensons familie flyttet til Champaign-Urbana, Illinois i 1960 og senere til Ames, Iowa i 1966 hvor han tok artium fra Ames High School i 1977. Stephenson studerte ved Boston University. Han studerte først fysikk, men skiftet over til geografi etter at han oppdaget at dette ville gi ham mere adgang til universitetets datasystemer. I 1981 fikk han Bachelor of Arts i Geografi med mellomfag i fysikk. Den første romanen hans, , ble utgitt i 1984. fikk lite oppmerksomhet og var ute av trykk før den ble utgitt igjen i 2001. Fra 1984 har Stephenson bodd i nordvestlige USA, og bor for tiden i Seattle med sin familie.