Стефан родился в Вене в богатой еврейской семье. О детстве и отрочестве будущего писателя известно мало: сам он говорил об этом довольно скупо, подчёркивая, что в начале его жизни всё было точно так же, как у других европейских интеллигентов рубежа веков. Окончив в 1900 году гимназию, Цвейг поступил в Венский университет, где изучал философию и в 1904 получил докторскую степень.

Уже во время учёбы на собственные средства опубликовал первый сборник своих стихов «Серебряные струны» (1901). Стихи написаны под влиянием Гофмансталя, а также Рильке.

Окончив Венский университет, Цвейг отправился в Лондон и Париж (1905), затем путешествовал по Италии и Испании (1906), посетил Индию, Индокитай, США, Кубу, Панаму (1912). Последние годы Первой мировой войны жил в Швейцарии (1917—1918), а после войны поселился близ Зальцбурга.

В годы Первой мировой войны Цвейг опубликовал проникновенный очерк о Ромене Роллане, назвав его «совестью Европы». Также он создал эссе, посвящённые Максиму Горькому, Томасу Манну, Марселю Прусту и Йозефу Роту.

В 1934, после прихода Гитлера к власти в Германии, Цвейг покидает Австрию и уезжает в Лондон. В 1940 Цвейг с женой переезжают в Нью-Йорк, а 22 августа 1940 — в Петрополис, пригород Рио-де-Жанейро. Испытывая жестокое разочарование и депрессию, 23 февраля 1942 Цвейг и его жена приняли смертельную дозу барбитуратов и были найдены в своём доме мёртвыми, держащимися за руки.

Дом Цвейга в Бразилии позднее был превращён в музей. В 1981 к 100-летию писателя выпущена почтовая марка Австрии.