1781년, 스티븐슨은 잉글랜드 북부 와일럼(Wylam)이라는 마을에서 태어났다. 아버지는 석탄 광부였고, 어머니는 전업 주부였으며, 두 사람 다 글을 읽고 쓸 줄 몰랐다.
스티븐슨 역시 부모처럼 학교에 다닌 적이 없었고, 8세 때부터 남의 소를 데리고 다녔으며, 10세 때는 석탄 광산에서 잡일을 하기 시작했고, 14세 때는 아버지를 따라 광산에 들어가 일하기 시작했다. 가난하고 신분이 낮은 탓에 스티븐슨의 어린 시절은 조롱 속에서 보내졌지만, 그는 그런 놀림을 전혀 개의치 않았다.
석탄 광산에서 스티븐슨은 가장 힘든 노동을 경험했고, 이에 그는 반드시 사람의 힘 없이 석탄을 운반할 수 있는 기계를 발명하겠다는 결심을 하게 되었다. 1801년, 영국인 트레비식(Richard Trevithick)이 최초의 증기 기관차를 제작했다. 이 기관차는 시험 운행을 할 때 철도가 아닌 도로에서 달렸다. 많은 사람들이 트레비식을 조롱하며 "당신의 기차는 내 마차보다도 못 달리네!"라고 말했다. 화가 난 트레비식은 기관차 개발을 더 이상 하지 않기로 했다.
그러나 스티븐슨은 흥미를 느꼈고, 트레비식을 찾아가 기관차 제작을 배우겠다고 했다. 트레비식은 "남의 조롱을 두려워하지 않는다면 혼자 가서 기관차를 개발해 보라. 나는 그런 어리석은 짓은 다시는 하지 않을 것이다"라고 말했다. 스티븐슨은 생각했다. '광산의 증기 기관은 깊은 우물 속의 물을 끌어올릴 수 있고, 트레비식이 만든 기관차는 수십 톤의 무게를 끌 수 있는데, 이 힘은 어디서 오는 것일까?' 그는 세심히 관찰하고 반복적으로 생각하며 그 속의 비밀을 깨달았다. 즉, 기차가 많은 것을 끌고 빨리 달리는 것은 모두 '거인'인 증기 기관의 힘 덕분이라는 것이었다.
증기 기관의 원리를 익히기 위해 스티븐슨은 고생을 마다하지 않고 1000km가 넘는 장거리 여행을 하여 증기 기관의 발명가 와트(James Watt)의 고향인 스코틀랜드로 갔고, 거기서 1년 동안 공부하고 연구했다. 스티븐슨은 전인들이 증기 기관차를 제작하면서 얻은 경험과 교훈을 정리하고 습득한 후, 마침내 1814년에 자신의 첫 번째 증기 기관차 '블뤼허(Brücher)'를 제작했다.
같은 해 7월, 스티븐슨은 첫 시험 운행을 실시했다. 이 기관차는 매끄러운 궤도 위를 달리며 30톤의 하중을 실어 8량의 객차를 견인했고, 주행 중 탈선하지는 않았지만 속도가 매우 느렸다. 스프링을 장착하지 않아 차가 움직이면 진동이 심했다.
사람들이 스티븐슨을 조롱했다. "당신 차가 왜 마차보다도 못 달리냐?"라고 하거나, "당신 그 기계는 짐 나르는 데도 쓸모없고, 소리는 천둥보다도 더 크게 나서 소와 말을 다 놀라게 하잖아!"라고 말했다. 원래 증기 기관차 시험을 지지하던 관리들조차 이제는 반대하기 시작하며, 증기 기관차를 교통수단으로 사용하는 것은 불가능하다고 단언했다.
스티븐슨은 시험 운행이 뜻대로 되지 않아도 낙담하지 않고, 기관차를 계속 연구하고 개선했다. 1825년 9월 27일, 스티븐슨이 만든 '트래블러 1호(Traveler No. 1)' 기관차가 스토크턴-달링턴 철도에서 시험 운행을 했다. 많은 사람들이 스티븐슨을 걱정하며 이번 시험 운행이 또 실패할까 봐 두려워했지만, 더 많은 사람들은 그의 실패를 기다리며 놀려주려고 했다.
스티븐슨이 기관차를 조작하자 증기 엔진이 많은 공기를 빨아들이고 일부 증기를 내뿜으며 휘이익 소리를 냈다. 사람들은 일제히 피했고, 노인과 여성, 어린이들은 매우 놀라 기관차가 곧 폭발할 것이라고 생각했다. 잠시 관찰한 후 아무 일도 일어나지 않자, 비로소 다시 가까이 다가가 보기 시작했다. 기관차 바로 뒤에는 말이 끄는 4량의 객차가 있었고, 그 안에는 노동자들이 가득 타 있었으며, 이로써 두 교통수단의 힘의 우열을 명확히 볼 수 있었다.
이것이 세계 최초의 공용 철도이며, 그 위를 달리는 기차는 당시 영국과 서구 세계를 떠들썩하게 한 '괴물'이었다. 이번 시험 운행의 성공은 철도 운송이 역사의 무대에 등장하게 했다.
그러나 여전히 두려움에 떠는 사람들이 있었다. 당시 미국의 한 신문사가 기차 사용에 반대하는 기사를 게재하기도 했지만, 기차의 급속한 발전을 막을 수는 없었고, 인류 문명의 바퀴는 빠르게 앞으로 나아갔다.