I 1958 ble han advokatfullmektig hos høyesterettsadvokatene Leif S. Rode og Ragnar Christophersen i Oslo og fikk advokatbevilling. Stenberg-Nilsen startet i 1966 egen advokatpraksis og gikk senere med i advokatfirmaet Stenberg-Nilsen, Christophersen & Lyngtveit. Fra 1968 til 1972 var han fast forsvarer i Oslo byrett, og fra 1972 fast forsvarer ved Høyesterett. I løpet av karrieren førte Stenberg-Nilsen over 1200 saker for Høyesterett.