Stein și-a petrecut copilăria la Viena și la Passy, în Franța, iar copilăria în Oakland, California. A intrat la Society for the Collegiate Instruction of Women (redenumit Radcliffe College în 1894), unde a studiat psihologia cu filosoful William James și a primit diploma în 1898. A studiat la Johns Hopkins Medical School din 1897 până în 1902 și apoi, împreună cu fratele ei mai mare, Leo, s-a mutat mai întâi la Londra și apoi la Paris, unde a reușit să trăiască prin mijloace private. A locuit cu Leo, care a devenit un critic de artă desăvârșit, până în 1909; după aceea a locuit cu partenera ei de viață, Alice B. Toklas (1877-1967).
Stein și fratele ei au fost printre primii colecționari de lucrări ale cubiștilor și ale altor pictori experimentali ai perioadei, cum ar fi Pablo Picasso (care i-a pictat portretul), Henri Matisse și Georges Braque, dintre care mai mulți i-au devenit prieteni. La salonul ei s-au amestecat cu scriitori americani expatriați, pe care ea i-a numit „Generația pierdută”, printre care Sherwood Anderson și Ernest Hemingway, și alți vizitatori atrași de reputația ei literară. Judecățile ei literare și artistice erau venerate, iar remarcile ei întâmplătoare puteau face sau distruge reputații.
În propria sa operă, ea a încercat să facă o paralelă cu teoriile cubismului, în special prin concentrarea sa asupra iluminării momentului prezent (pentru care se baza adesea pe timpul prezent perfect) și prin utilizarea unor repetiții ușor variate și a unei simplificări și fragmentări extreme. Cea mai bună explicație a teoriei sale despre scriere se găsește în eseul Composition as Explanation (Compoziția ca explicație), care se bazează pe prelegerile pe care le-a ținut la Universitățile din Oxford și Cambridge și care a fost publicat sub formă de carte în 1926. Printre lucrările ei care au fost cel mai profund influențate de cubism se numără Tender Buttons (1914), care duce fragmentarea și abstractizarea la extrem.
Prima sa carte publicată, Three Lives (1909), poveștile a trei femei din clasa muncitoare, a fost numită o capodoperă minoră. The Making of Americans, o lungă compoziție scrisă în 1906-11, dar publicată abia în 1925, a fost prea alambicată și obscură pentru cititorii generaliști, pentru care a rămas în esență autoarea unor versuri precum „Rose is a rose is a rose is a rose is a rose”. Singura ei carte care a ajuns la un public larg a fost The Autobiography of Alice B. Toklas (1933), de fapt propria autobiografie a lui Stein. Reprezentarea în Statele Unite a cărții Patru sfinți în trei acte (1934), pe care compozitorul Virgil Thomson a transformat-o într-o operă, a dus la un turneu triumfal de conferințe în America în 1934-35. Thomson a scris, de asemenea, muzica pentru cea de-a doua operă a sa, The Mother of Us All (publicată în 1947), bazată pe viața feministei Susan B. Anthony. Una dintre primele povestiri scurte ale lui Stein, „Q.E.D.”, a fost publicată pentru prima dată în Things as They Are (1950).
Excentrica Stein nu a fost modestă în aprecierea de sine: „Einstein a fost mintea filosofică creativă a secolului, iar eu am fost mintea literară creativă a secolului”. A devenit o legendă la Paris, mai ales după ce a supraviețuit ocupației germane a Franței și s-a împrietenit cu numeroșii tineri militari americani care o vizitau. Ea a scris despre acești soldați în Brewsie and Willie (1946).
.