Stenmark ble dr.philos. ved Radiumhospitalet 1991 under veiledning av professor Sjur Olsnes. Stenmarks doktoravhandling handlet om difteritoksin, et giftstoff produsert av difteribakterien, og hvordan dette trenger inn i celler. I avhandlingen viste Stenmark blant annet at en ufarlig variant av difteritoksin kan brukes til å frakte "fremmede" proteiner inn i celler.