Стивен Содерберг родился 14 января 1963 года в Атланте, штат Джорджия, в семье Мэри Энн и Питера Эндрю Содербергов. Имена своих родителей Стивен увековечил, когда стал трудиться в кино: свои работы в качестве оператора он подписывает как Питер Эндрюс, а как монтажёр использует псевдоним Мэри Энн Бернард (Бернард - девичья фамилия матери). Когда Стивен был ещё ребёнком, отец перевёз семью в Питтсбург, а затем в Батон-Руж, штат Луизиана, где устроился на работу деканом в Университете штата.
Ещё не закончив среднюю школу в Батон-Руже, Стивен устраивается на курсы аниматоров в Университет, где снимает свои первые короткометражные фильмы, например «Уборщик» (англ. Janitor). Окончив школу, Содерберг осуществляет неудачную попытку переезда в Голливуд. Проработав там некоторое время внештатным редактором, он возвращается в Батон-Руж, где работает в видеостудии, изготавливающей рекламные ролики и музыкальные видеоклипы, и попутно продолжает снимать короткометражки и писать сценарии. В 1986 году Содерберг снимает документальный фильм о концерте британской рок-группы Yes - Yes: 9012 Live, за который получает номинацию на премию «Грэмми».
После первого режиссёрского успеха у Содерберга начинаются проблемы с алкоголем, но вскоре ему удаётся их разрешить. В 1987 году Содерберг снимает короткометражный фильм-исследование сексуальных отношений «Уинстон» (англ. Winston), логическим продолжением которого стала полнометражная лента «Секс, ложь и видео», премьера которой состоялась на кинофестивале «Сандэнс». Фильм приносит Стивену «Золотую пальмовую ветвь» Каннского кинофестиваля 1989 года и номинацию на премию «Оскар» за лучший оригинальный сценарий.
В течение последующих шести лет Содерберг женится и через некоторое время разводится с актрисой Бетси Брэнтли, у него рождается дочь Сара. В это же время он работает над своей второй лентой - фильмом «Кафка» с Джереми Айронсом в главной роли - неоднозначным описанием жизни и творчества Франца Кафки, основанным на произведениях писателя.
Следующий фильм режиссёра «Царь горы» по мемуарам А. И. Хочнера рассказывает историю жизни маленького мальчика в годы Великой депрессии. Криминальная драма-нуар «Там, внутри» («Подноготная») 1995 года, повествующая об ограблении инкассаторской машины, показывает классические приёмы содерберговской режиссуры: нелинейное повествование и игру с цветами. «Анатомия Грея» - следующий его фильм - об экспериментах в области альтернативной медицины, проводимых известным американским актёром Сполдингом Греем.
Экспериментальная комедия 1996 года «Шизополис», в которой Содерберг сыграл одну из главных ролей, а также был композитором, оператором, автором сценария и режиссёром, начинается с вступительного слова: «Дамы и господа! Молодые и пожилые. Если Вы сочтёте сюжет фильма запутанным - помните, это не наша вина, всё дело в Вас. Вам придётся смотреть его снова и снова, пока Вам не станет понятно всё». Фильм отсылает зрителя к киноэклектике экспериментального кинематографа 1970-х годов.
Первой совместной работой Содерберга с Джорджем Клуни становится фильм «Вне поля зрения» по роману известного американского писателя Элмора Леонарда. В этой криминальной драме описана история романтических взаимоотношений между грабителем банков в исполнении Клуни и федеральным маршалом Карен Сиско в исполнении Дженнифер Лопес.
В полуторачасовом фильме 1999 года «Англичанин» Содерберг показывает своё умение строить нелинейный сюжет с использованием неповторимой техники монтажа. В криминальной драме, выполненной в стилистике неонуара, снялись такие культовые американские актёры как Теренс Стэмп и Питер Фонда.
В 2000 году Содерберг снимает два фильма: «Эрин Брокович» и «Траффик», получивших по несколько номинаций на «Оскар» и сделавших Содерберга первым режиссёром с 1939 года, номинировавшимся на «Оскар» как «лучший режиссёр» сразу за две разные работы (из пяти фильмов два были сняты Содербергом). В итоге премию Американской академии киноискусства он получил за картину «Траффик».
«Эрин Брокович» - основанная на реальных событиях социальная драма о матери-одиночке, устроившей судебное разбирательство с компанией PG&E, отравляющей отходами грунтовые воды, с Джулией Робертс в главной роли.
«Траффик» - криминальная драма по сценарию Стивена Гаана, описывающая все этапы торговли наркотиками: от международных поставок до продажи конечным покупателям. На сегодняшний день это самая продолжительная лента режиссёра (147 минут).
В 2001 году Содерберг снимает «Одиннадцать друзей Оушена» - стилизованный ремейк одноимённого фильма 1960 года с Джорджем Клуни, Брэдом Питтом, Джулией Робертс и Мэттом Деймоном в главных ролях. Фильм становится одним из самых финансово успешных в карьере режиссёра - сборы составили более 183 млн долларов.
Следующим фильмом режиссёра становится малобюджетная экспериментальная комедия «Во всей красе» - стилистическое продолжение ленты «Секс, ложь и видео» по одноимённому роману Элмора Леонарда.
«Солярис» Стивена Содерберга по одноимённому роману Станислава Лема сильно отличается от экранизации Андрея Тарковского. Содерберг делает акцент не на «нравственной проблематике», а на отношениях между мужчиной и женщиной, любви и сексе. Продюсером фильма стал Джеймс Кэмерон, главную роль сыграл Джордж Клуни.
Следующий проект Содерберга - полудокументальный десятисерийный минисериал «К Стритruen» (каждая серия продолжительностью 30 минут) для кабельной телекомпании HBO о лоббистах и политиках в Вашингтоне. Продюсером проекта стал Джордж Клуни. «К Стрит» - первый из нескольких телевизионных сериалов, которые Содерберг планирует снять для HBO.
Фильм «Эрос» стал творческой коллаборацией между тремя культовыми режиссёрами - Стивеном Содербергом, Вонгом Карваем и Микеланджело Антониони. Содерберг снял эпизод «Эквилибриум» - историю о рекламном агенте, страдающем от навязчивого эротического сна и психоаналитике, пытающемся решить не только проблемы своего пациента, но и свои собственные.
В 2004 году вышло продолжение «11 друзей Оушена» - «12 друзей Оушена». В этом фильме Содерберг переиграл практически все темы и сюжетные линии из предыдущего фильма и, благодаря инновационной режиссуре, во многом превзошёл свой же оригинал. В 2007 году вышел фильм «13 друзей Оушена», режиссёром картины вновь стал Содерберг.
В 2005 году Содерберг снимает для HBO пилотную серию Unscripted - телесериала о молодых людях, пытающихся устроиться на работу в Голливуде. Остальные серии снял Джордж Клуни, сценаристом проекта стал Грант Хеслов.
«Пузырь» - экспериментальный низкобюджетный фильм Содерберга с непрофессиональными актёрами без специально написанного сценария, снятый на цифровую видеокамеру. «Пузырь» одновременно был выпущен для показа в кинотеатрах, на DVD и в кабельных сетях. Это первый подобный эксперимент, когда картина выходит в прокат подобным образом.
Содерберг снял ещё несколько фильмов: «Че» - фильм об Эрнесто Че Геваре с Бенисио Дель Торо в главной роли. Производство романтической драмы «Хороший немец», действие которой происходит в послевоенном Берлине, с Кейт Бланшетт и Джорджем Клуни в главных ролях было завершено в 2006 г..
В январе 2013 года в интервью изданию Vulture Содерберг сообщил, что ведёт теневой блог в Твиттере. Спустя несколько дней он раскрыл имя своего аккаунта - @Bitchuation. Первая запись в блоге сделана 13 октября 2012 года, в своих твитах режиссёр делится мыслями на разные темы и демонстрирует чувство юмора.
В 2013 году на 56-м Международном кинофестивале в Сан-Франциско Стивен Содерберг выступил с программной речью о положении дел в современном кинематографе.
В марте 2013 года сообщалось, что Содерберг планирует заняться съёмками 12-часового мини-сериала по роману Джона Барта «Торговец дурманомruen». Однако в мае стало известно, что режиссёр спродюсирует и снимет 10 эпизодов телесериала «The Knick» по заказу кабельного канала Cinemaxruen. Действие будет разворачиваться в 1900 году в нью-йоркской больнице Никербокер (англ. Knickerbocker Hospital), где будет показана работа врачей до изобретения современных медицинских технологий, в условиях высокой смертности и отсутствия антибиотиков. В ноябре появилась первая информация о производстве сериала.
Содерберг выступит в качестве оператора и монтажёра фильма «Супер Майк XXL», выход которого намечен на 2015 год.