Robert Stephenson kom også til å spille en stor rolle for norsk jernbanebygging. Han besøkte Norge i september 1846 med tanke på en lokomotivjernbane mellom Kristiania og Mjøsa, det som ble Norsk Hoved-Jernbane, åpnet i 1854. Banen ble bygget som et samvirke mellom engelsk og norsk kapital, men i hovedsak med engelsk kompetanse, med Stephenson som den førende, «en af Verdens første Civilingeniører» (Bergh s.39). Stephenson fikk en litt uheldig dobbeltrolle i byggingen av Hovedbanen, ved at han både var ledende ingeniør og dermed ansvarlig for den tekniske løsningen, og også skulle fungere som en oppmann mellom de engelske kapitalistene og den norske stat. Byggingen og idriftsettingen av banen foregikk ikke uten betydelig tautrekking mellom partene. Stephenson måtte besøke anlegget og banen ved flere anledninger. I juli 1851 ankom han Christiania på eget dampskip, medbringende massevis av verktøy som skulle brukes til jernbaneutbyggingen. (Rolt nevner også 1852 og 1854, s.324). Til tross for uenighetene, ble Stephenson dekorert med St.Olavs orden for sin innsats for å bygge Norges første lokomotivjernbane.