Il s'illustre aussi bien au théâtre qu'au cinéma et à la télévision. Passionné par la scène, il commence à suivre des cours de théâtre, tandis qu'il fait de petits boulots en parallèle pour gagner sa vie.
Lors de ses débuts de comédien, Stéphane Hillel joue en 1977 dans Le Tube, mis en scène par François Périer . Il poursuit avec plusieurs autres rôles. En 1980, on le retrouve au Théâtre Montparnasse dans La Cage aux Folles de Jean Poiret ,dirigé par Pierre Mondy, puis en 1986 au Théâtre des variétés, dans Les Temps difficiles d' Édouard Bourdet. En 1989, sous la direction de Jean-Noël Fenwick, il joue dans Les Palmes de Monsieur Schutz mis en scène par Gérard Caillaud . En 1990, la pièce remporte le Prix Daniel Sorano et sa prestation lui vaut une nomination aux Molières, dans la catégorie Révélation Théâtrale de l'année.
L'année suivante, au Théâtre de la Gaîté-Montparnasse, Stéphane Hillel prend la casquette de metteur en scène, pour Coiffure de Dames de Robert Harling , à la demande de Michèle Laroque et de Claire Nadeau. Stéphane Hillel commence à s'affirmer en tant que metteur en scène. En 1994, il se lance dans l'écriture avec François Périer et met en scène, Mes Jours heureux.
En 1996, il signe la mise en scène de L'Affrontement de Bill C. Davis. Il enchaîne avec Les Gagneurs d' Alain Krief en 1997, Deux sur la Balançoire de Jean-Loup Dabadie en 1998 et Les Portes du Ciel de Jacques Attali en 1999. Il continue à monter sur scène notamment dans L'Affrontement et dans la pièce, Camus, Sartre... et les autres, de Jean-François Prévand, au Théâtre de l'Oeuvre.
En 2002, la pièce Impair et Père de Ray Conney est nominée aux Molières pour le Meilleur Spectacle Comique, et Stéphane Hillel qui fait partie des comédiens, y est nominé pour le Meilleur Second rôle. C'est aussi en 2002 qu'il prend la fonction de Directeur artistique des deux salles du Théâtre de Paris. L'année suivante, il remporte le Molière du Meilleur Metteur en Scène pour Un Petit jeu sans conséquence de Gérald Sybléras et Jean Dell. Cette pièce, présentée au Théâtre La Bruyère, reçoit également quatre autres Molières. Stéphane Hillel joue aux côtés de Roland Giraud dans l'Hypothèque de Daniel Besse. En 2005, il met en scène de Amadeus de Peter Shaffer (avec Jean Piat et Lorant Deutsch ) et celle de Le Meilleur Professeur, dans lequel il retrouve Daniel Besse.
Au petit écran, on le retrouve dans des téléfilms comme Les Bijoux de Carina de Philippe Ducrest en 1978, La Compagnie de Sarah de Stéphane loison en 1989, ou l'adaptation cinématographique de Impair et père de Jean-Luc Moreau. Au cinéma, Stéphane Hillel collabore avec des réalisateurs comme Claude Vital, Michel Gérard, André Cayatte et Michel Lang . Il tourne notamment dans des films comme À nous les petites Anglaises en 1976, À chacun son Enfer en 1977, Une Merveilleuse Journée en 1980 ou Le Nouveau Protocole de Thomas Vincent en 2008.
En 2009, il monte à nouveau sur les planches dans une pièce de George Axelrod, Good bye Charlie, mise en scène par Didier Caron.
