Apja nyomdokain haladva orvosnak készült, de tanulmányait félbeszakította a II. világháború. A német megszállás alatt autószerelő-segédként és hegesztőként dolgozott, részt vett az ellenállásban. 1946-ban a repatriálási program keretében családjával áttelepült Krakkóba, ahol doktori diplomával zsebében segédkutatói munkát vállalt, szabadidejében írogatott.

1946-ban egy folyóirat folytatásokban közölte első regényét Ember a Marsról címmel, versei, novellái a Tygodnik Powszechny katolikus hetilapban jelentek meg, elkészült Az átszellemülés kórháza című regénye is, de ezt a cenzúra éveken át visszatartotta. Első sikerét 1951-ben az Asztronauták című kommunista utópiával aratta, 1955-ben jelent meg a Magellán-felhő, 1957-ben a Csillagnapló, két évvel később az Éden és az Invázió az Aldebaranról című elbeszélés-gyűjtemény.

A hatvanas évek lett alkotói pályája legtermékenyebb szakasza, 1961-ben vetette papírra a Visszatérést és a Solarist. Utóbbi minden idők egyik legsikeresebb sci-fi regénye, amelyet 1972-ben Andrej Tarkovszkij, harminc évvel később Steven Soderbergh filmesített meg. Lem maga nem rajongott műveinek filmre viteléért, Tarkovszkij adaptációját egyenesen űrbeli Bűn és bűnhődésnek nevezte. 1964-ben Summa technologiae című esszégyűjteményében a jövőtervezés tudományos-technikai feltételei foglalkoztatták, az egy évvel későbbi Kiberiáda szatirikus mesegyűjtemény. Az 1968-as Pirx pilóta kalandjai izgalmas elbeszéléskötet, amelyből 1972-ben magyar tévésorozat is készült, e korszakának záró remeke Az Úr hangja című regény.

A sci-fi irodalom történetét A tudományos-fantasztikus irodalom és a futurológia című esszékötetben foglalta össze. 1987-ben, Béke a földön című regénye megjelenése után bejelentette: szépírói pályáját befejezettnek tekinti, a továbbiakban csak esszéket és tanulmányokat publikál. Élete végén a jövőfilozófia, a nanotechnológia, a világmindenség hallgatása, a tudomány végső lehetőségeinek kérdései, s az általa fantomatikának nevezett virtuális valóság foglalkoztatták.

A műfajt a klasszikus irodalom szintjére emelő író kritikával szemlélte saját és írótársai munkásságát is, így történhetett meg, hogy Amerikában a sci-fi írók szövetsége előbb tiszteletbeli taggá választotta, majd kizárta soraiból.

A század legnagyobb elméi között számon tartott Lem a szükségállapot 1981-es kihirdetése után elhagyta Lengyelországot. Előbb ösztöndíjjal Nyugat-Berlinbe ment, majd 1983-ban Bécsbe költözött, ahonnan 1988 őszén tért vissza Krakkóba. A lengyel kultúrának tett szolgálataiért 1996-ban a Fehér Sas érdemrenddel, 2001-ben a legnagyobb lengyel kulturális kitüntetéssel, az Arany Jogarral tüntették ki.

2006. március 27-én Krakkóban halt meg, nevét a csillagok között a 3836-os kisbolygó őrzi.