Urodził się w 1921 r. we Lwowie w zamożnej rodzinie o żydowskich korzeniach. Kształcił się w II Gimnazjum im. K. Szajnochy. Jego rozpoczęcie studiów medycznych pokryło się z wybuchem II wojny światowej.
W czasie wojny związany był z ruchem oporu. Po włączeniu Lwowa do Związku Radzieckiego cała rodzina przeniosła się do Krakowa, co oznaczało utratę majątku. Początkowo Lem publikował w prasie krótkie opowiadania i wiersze, starając się w ten sposób poprawić byt materialny rodziny. W roku 1946 ukazała się jego powieść pt.: „Człowiek z Marsa”. Przy okazji okazało się, że medycyna nie jest jego powołaniem. Lem interesował się cybernetyką, technologią, kosmosem i literaturą. Pod pseudonimem zaczął pisywać recenzje książek naukowych dla miesięcznika „Życie Nauki”.
W 1952 r. opublikowano jego „Astronautów”. Powieść przyniosła Lemowi sławę, popularność i członkostwo w Związku Literatów Polskich. Od tej pory pisarstwo stało się głównym źródłem utrzymania Lema. W tym okresie pisarz tworzył w nurcie tzw. realizmu socjalistycznego.
Po „odwilży” w 1956 roku nastąpił złoty okres jego twórczości. Wówczas powstały najwybitniejsze powieści i opowiadania s-f, między innymi „Dialogi”, „Śledztwo”, „Eden”, „Solaris”, „Powrót z gwiazd”, „Pamiętnik znaleziony w wannie”.
Twórczość pisarska Lema zmierzała stopniowo w kierunku rozważań filozoficznych i naukowych. W 1968 roku napisał „Filozofię przypadku”, dwa lata później „Fantastykę i futurologię”.
Nakłaniano go do zaangażowania się w politykę, ale sukcesywnie odmawiał.
W 1982 roku wyjechał do Berlina Zachodniego, ale wrócił, nie mogąc sprowadzić do siebie rodziny. Udało się to dopiero rok później. Ostatecznie Lemowie wyjechali do Wiednia. Wtedy pisarz nawiązał współpracę z paryską „Kulturą”.
Do kraju powrócił w 1988 roku i zamieszkał wraz z rodziną na Klinach. Rok później zerwał z beletrystyką, skupiając się na publicystyce i krytyce.
Ostatnie lata życia pisarza naznaczone były cierpieniem – Lem chorował na cukrzycę, coraz częściej zdarzało mu się tracić przytomność, był wielokrotnie hospitalizowany i reanimowany.
Zmarł w 2006 roku w Krakowie.