Стефан Данаилов е роден на 9 декември 1942 г. в София.
През 1963 г. Данаилов е приет в НАФИЗ (тогава ВИТИЗ ) "Кръстьо Сарафов" в класа по актьорско майсторство на проф. Стефан Сърчаджиев. След смъртта на професора Данаилов учи при Методи Андонов и проф. Анастас Михайлов. Завършва през 1966 г. и започва работа в Пловдивския театър "Н. О. Масалитинов".
Първите му роли в киното са във филмите "Понеделник сутрин", "Морето" и "С дъх на бадеми". Популярността идва още след участието му във филма "Първият куриер", но става много по-голяма с появата на телевизионния екран на сериала " На всеки километър " (1969). Широката публика в България го запомня с ролята му на майор Деянов .
За известен период от време Стефан Данаилов напуска театъра и се отдава изцяло на киното. Но през 1973 г. се връща отново, за да се присъедини към трупата на Театъра на българската армия . От 1979 г. постъпва в Народния театър "Иван Вазов". Продължава да се снима в киното и телевизията.
След 10 ноември 1989 г. му се налага отново да се доказва и на сцената, и в киното. Премиерата на постановката "Лоренцачо" има успех, а ролята на Данаилов в италианския сериал "Октопод" го прави популярен и в чужбина.
От 1994 г. е съосновател и вицепрезидент на фондация "Авансцена", а от 1996 г. е президент на националния комитет на Международния институт за средиземноморски театър.
Снимал се е в над 80 филма, има множество награди от национални театрални и филмови фестивали.
От 1988 г. е преподавател по актьорско майсторство в НАТФИЗ, където е доцент от 1996 г. и професор от 1999 г.
Стефан Данаилов е член на БСП . Партиен секретар е на Народния театър. Делегат е на 44-тия (2000), 45-тия (2005) и 46-тия (2005) конгрес на БСП.
Министър на културата на България в периода 2005-2009 г. (при управлението на коалиционно правителство на БСП, ДПС и НДСВ".
В последните години се снима в телевизионни сериали като "Стъклен дом" и "Фамилията", които се радват на изключителен зрителски интерес.
През 2011 г. Стефан Данаилов се опитва отново да влезе в политиката като се кандидатира за вицепрезидент от Коалиция за България в двойка с Ивайло Калфин.
