Stern fullførte sine studer ved Universitetet i Breslau i 1912 med en doktorgrad i fysikalsk kjemi. Han fulgte så Albert Einstein til Karlsuniversitetet i Praha og senere til ETH Zürich. Stern mottok sin habilitasjon ved Johann Wolfgang Goethe-Universität i Frankfurt am Main i 1915 og i 1921. Han ble senere professor ved Universitetet i Rostock, som han forlot i 1923 for å jobbe med det nylig grunnlagte ved Universitetet i Hamburg.