Stenseth vokste opp på Greåker hvor hans far drev en jernvareforretning. Han har cand.mag.-grad i generell naturvitenskap ved Universitetet i Oslo i 1972. Han ble dr.philos. i populasjonsbiologi i 1976, etter forskningsopphold ved San Diego State University og University of Sussex. Han har tidligere vært professor ved Lunds Universitet.