Arthur Jefferson est issu d'une famille de gens du spectacle ; sa mère Madge Metcalfe et son père Arthur J. Jefferson sont acteurs de théâtre. Les études scolaires lassent très vite le jeune Jefferson, qui ne rêve que de « monter sur les planches ». Son père ne contrarie pas sa vocation et, dès 1905, l'aide à trouver ses premiers rôles.
Il débute ainsi dans le music-hall anglais, dans la troupe de Fred Karno et plus particulièrement dans la pantomime dans la pièce « Mumming birds ». Le rôle principal est tenu par Charlie Chaplin et Jefferson devient la doublure de Charlie Chaplin. Lorsque Chaplin est présent sur les planches pour jouer le rôle principal, Jefferson joue un peu tous les autres rôles disponibles.
Fin 1912, la troupe part en tournée aux États-Unis et la pièce prend alors le nom « A night in an English music hall ». La pièce s'arrête peu de temps après alors que la vedette principale « Charlot » est débauchée par le studio Keystone de Hollywood. Jefferson s'installe alors en Californie ; rapidement, il se fait remarquer par le cinéma et tourne pour Universal quelques courts métrages muets pastiches du genre slapstick, un genre d'humour impliquant une part de violence physique volontairement exagérée. Il joue ainsi dans son premier film en 1917 sous le nom de « Stan Jefferson » : Nuts in May. Dans ce film, il joue aux côtés de Mae Dahlberg qui lui conseille de prendre le pseudonyme de « Stan Laurel » pour ses futurs films. Les deux acteurs vivent alors ensemble pendant des années, sans pour autant se marier, Dahlberg étant déjà mariée. Elle porte même le pseudonyme de Mae Laurel lors de plusieurs films.
Il tourne en courant 1920 dans le film
Le Veinard, en anglais The Lucky Dog, film produit par Broncho Billy Anderson et tourné sur deux bobines. Il s'agit du premier film qu'il tourne aux côtés de
Oliver Hardy. Laurel joue le rôle du héros alors qu'Hardy joue celui d'un voleur. En 1923, il tourne le premier film de sa carrière avec
James Finlayson dans The Noon Whistle, La Sirène de midi.
En 1924, il signe un contrat avec Joe Rock, producteur d'Hollywood, pour douze films. À l'occasion de ce contrat, Rock ajoute une clause stipulant que Mae ne peut pas jouer dans les mêmes films que Laurel. Trouvant que l'artiste ne tourne pas aussi vite qu'il le voudrait, Rock propose en 1925 à Mae une somme d'argent et un billet sans retour pour son pays natal : l'Autriche. Il disparaît progressivement des écrans pour se consacrer au scénario des films qu'il tourne en tant que réalisateur. Entre autres, il réalise en 1925, Yes, Yes, Nanette pour
Hal Roach dans lequel l'acteur principal est
James Finlayson, futur acteur d'une trentaine de films avec Laurel et Hardy. Ce dernier a d'ailleurs un rôle dans le film, en tant qu'ancien fiancé de Nanette, alors que Finlayson est le nouveau fiancé.
Les deux acteurs se rencontrent une seconde fois sur le tournage de 45 minutes from Hollywood, Scandale à Hollywood, même s'ils n'ont alors aucune scène en commun. Finlayson apparaît également dans le film alors que Laurel n'a qu'une scène de tout le film, le tout sous la direction de
Hal Roach. Ils jouent pour la troisième fois ensemble dans le film Duck Soup, sous la direction de
Fred Guiol et avec la collaboration de
Leo McCarey. Ce dernier est un des premiers à s'apercevoir du potentiel du duo comique. L'histoire du film est tirée d'un sketch du père de Laurel, Arthur J. Jefferson dans lequel deux vagabonds poursuivis par la police prennent la place de riches bourgeois dans une vaste demeure laissée vacante. Le scénario est réutilisé par la suite lors d'un autre film de Laurel et Hardy : Another Fine Mess -- Quelle situation !,.
En 1929, ils jouent leur premier film parlant de leur carrière, Unaccustomed as we are, en français Une nuit extravagante. Le titre anglais Unaccustomed as we are signifie « Non habitués que nous sommes » et est alors souvent complété en « Non habitués que nous sommes à parler en public », Unaccustomed as we are to public speaking. Un an plus tard, ils tournent ensemble The Laurel-Hardy Murder Case -- La Maison de la peur -- un court métrage de 28 minutes sur trois bobines. Il s'agit du premier film dans lequel Hardy prononce la phrase de reproche à l'encontre de Laurel suivante « Here's Another Nice Mess You've Gotten Me Into », en français : « tu m'as encore mis dans un beau pétrin ». Au cours des futurs films qu'ils tournent ensemble, cette phrase revient régulièrement puisque Oliver Hardy la prononce près de 17 fois.
Il reçoit en 1961 lors de la 33e cérémonie des Oscars un Oscar d'honneur pour s'être frayé un chemin créateur dans le domaine de la comédie au cinéma. Le texte original de la récompense en anglais est : « for his creative pioneering in the field of cinema comedy ».
En 1963, la Screen Actors Guild lui décerne un trophée pour sa carrière dans le cinéma américain. Il est le second artiste à recevoir cette récompense après
Eddie Cantor mais tout comme ce dernier, Laurel ne peut pas aller chercher en personne le trophée, sur ordre du médecin.
Stan Laurel est mort le 23 février 1965 à Santa Monica, Californie des suites d'une crise cardiaque, dix ans après avoir subi un accident vasculaire cérébral. Il repose au cimetière du Forest Lawn Memorial Park des collines d'Hollywood à Los Angeles en Californie.