Дебютът му в киното е през 1956 г. Тогава той е на 13 години и участва в детско-юношеския филм "Следите остават" по сценарий на Павел Вежинов. През август 1969 г. е премиерата на първата серия на телевизионния сериал "На всеки километър". За един ден 27-годишният Стефан Данилов, който изпълнява във филма ролята на майор Деянов, и партньорът му Григор Вачков (Митко Бомбата) стават звезди. Следват филмите "Князът" и "Черните ангели", които му носят още по-голяма популярност. За участието си в тях той е удостоен през 1969 г. с наградата за най-добра мъжка роля от фестивала на българското кино "Златната роза" във Варна.

В своята над 50-годишна творческа кариера Стефан Данаилов е изиграл повече от 150 роли в киното, театъра и телевизията. Един от популярните му образи в българското игрално кино е на инструктора по шофиране Яким Донев във филма "Дами канят". От филма остава и култовата реплика на героя му: "Ти знаеш ли, че имаш страшни очи?". Стефан Данаилов е участвал във филмите "Инспекторът и нощта" (1963), "Князът" (1970), "Черните ангели" (1970), "Иван Кондарев" (1974), "Сватбите на Йоан Асен" (1975), "Допълнение към ЗЗД" (1976), "Топло" (1978), "Юлия Вревская" (1978), "От нищо нещо" (1979), "Търновската царица" (1981), "Княз Борис Първи" (1985), "След края на света" (1998) и др. Той е участвал и в редица международни копродукции. Под ръководството на италианския режисьор Луиджи Перели Стефан Данаилов е участвал в седмия сезон на италианския сериал "Октопод" (1994), в минисериала "Рекет", в сериалите "Дело по съвест" и "Дълбоко в сърцето", които му носят голяма популярност в Италия.  Участвал е и в българските телевизионни сериали "Стъклен дом" (2010) и"Фамилията" (2013).

В театъра Стефан Данаилов започва да играе през 1966 г. в Драматичния театър "Н. О. Масалитинов" в Пловдив. Първата му голяма роля обаче е през 1973 г. в постановката "Коварство и любов" на Фридрих Шилер в Театъра на народната армия в София. Тогава зрителите с часове се редят на опашка, за да видят на живо екранния си идол от телевизионния сериал "На всеки километър". От 1979 г. Стефан Данаилов играе в Народния театър "Иван Вазов". Незабравими остават ролите му в постановките "Напразни усилия на любовта", "Щастливецът иде", "Вишнева градина", "Венецианският търговец", "Майор Барбара", "Дон Жуан", "Хамлет", "Декамерон", "Жените на Джейк", "Пигмалион" и др. 

Дълъг е списъкът на неговите партньорки в театъра и в киното - актрисите Невена Коканова, Цветана Манева, Анета Сотирова, Виолета Гиндева, Пепа Николова, Аня Пенчева, Мария Каварджикова, Ани Пападопулу, Елена Петрова и др. В живота обаче до него винаги е била една-единствена жена - съпругата му Мария. Двамата са заедно от 1963 г. до смъртта й през 2014 г.

От 1988 г. Стефан Данаилов преподава в Националната академия за театрално и филмово изкуство "Кръстьо Сарафов". През 1995 г. е избран за доцент, а през 1999 г. за професор. Сред своите възпитаници и студенти Стефан Данаилов е известен като Мастер. Другите му известни прякори са бате Серго и майор Деянов, появили се след участието му в сериала "На всеки километър". Прякорът му Ламбо, с който е известен сред приятелите си е в наследство от баща му полк. Хараламби (Ламби) Данаилов. От него актьорът наследява още организационния талант, ораторската дарба и призванието да увлича масите. От майка си Евдокия е наследява неустоимия си чар, изразителния си глас и артистичност.

Освен в киното и театъра Стефан Данаилов се включва и в политиката. Той е бил депутат в 9-ото Народно събрание (1986-1990), в 39-ото и 40-ото Народно събрание (2001-16 август 2005), в 41-ото, 42-ото и 43-ото Народно събрание (2009-2017). От 19 април 2017 г. е депутат в 44-ото Народно събрание. От 16 август 2005 г. до 27 юли 2009 г. е министър на културата. На изборите за президент през м. октомври 2011 г. заедно с Ивайло Калфин  са кандидати за президент и вицепрезидент от Коалиция за България. В политиката Стефан Данаилов последователно отстоява левите си убеждения. От 1975 г. той е член на Българската комунистическа партия (от 3 април 1990 г. Българска социалистическа партия /БСП/). През 2002 г. е избран за член на Висшия съвет (дн. Национален съвет) на БСП и член на Изпълнителното бюро на партията. От май 2016 г. е един от заместник-председателите на Националния съвет на БСП.

През декември 2017 г. 75-ият рожден ден на Стефан Данаилов е отбелязан с различни прояви, сред които изложбата "Непознатите портрети на Стефан Данаилов", която припомня участието му в някои от най-емблематичните филми на българското кино, ретроспекция на "10-те златни филма на Стефан Данаилов" и документалният филм "Монолог" със сценаристи Георги Тошев и Ема Константинова. На 9 декември 2017 г., когато е роден е представена автобиографичната книга "Романът на моя живот", написана в съавторство с журналиста и продуцент Георги Тошев. На 8 юни 2019 г. след 5-годишно отсъствие от театралната сцена, Стефан Данаилов се завръща с постановката "Актрисата" в Народния театър "Иван Вазов". 

Стефан Данаилов е носител на множество български и чуждестранни награди. Лауреат е на Димитровска награда (1971) за телевизионния сериал "На всеки километър". През 1983 г. той е удостоен със званието "Народен артист". На 11 ноември 2002 г. Стефан Данаилов  получава държавната награда "Паисий Хилендарски", а на 6 декември 2002 г. е удостоен с орден "Стара планина" първа степен за изключителните му постижения в областта на българското кино и театър, за приноса му в политическия и културния живот на съвременна България и по повод 60 години от рождението му. Почетен гражданин на София (17 септември 2013). Носител на награда "Икар" на Съюза на артистите в България за "забележително сценично и екранно присъствие и ролята му в духовния живот на България" (28 март 2003), на награда "Икар" за цялостен принос в сценичните изкуства (27 март 2005), на Голямата награда "Аскеер" за цялостен принос към театралното изкуство (24 май 2015). На 6 юни 2014 г. Българската филмова академия го удостоява с Наградата за цялостно творчество за постижения в българското кино. На 17 февруари 2016 г. той получава наградата на Дарик радио "Легенда на годината". Сред международните му отличия са орденът "Звезда на италианската солидарност" (27 юни 2006), орденът на Франция за изкуство и култура (14 октомври 2006) и "Наградата на град София" на италианската асоциация "Умбри ин Булгариа" за приноса му за развитието на българско-италианските културни взаимоотношения и за артистичната му и филмова дейност в Италия (27 октомври 2007).