Стефан Данаилов е роден на 9 декември 1942 г. в София. Още като дете участва в игралния филм „Следите остават“ (1956). През 1963 г. е приет във ВИТИЗ (НАТФИЗ), в класа по актьорско майсторство на проф. Стефан Сърчаджиев. Завършва през 1967 г. и започва работа в Пловдивския театър „Н. О. Масалитинов“ (1967 – 1968).
Първите му роли в киното са във филмите „Понеделник сутрин“, „Морето“ и „С дъх на бадеми“. Популярността идва още след участието в ролята на Иван Загубански от филма „Първият куриер“, но избухва с невиждана сила с телевизионния сериал „На всеки километър“ (1969). С ролята на майор Деянов го помнят поколения български зрители.
Стефан Данаилов участва в над 80 филма и има множество награди от национални театрални и филмови фестивали. Има награда за най-добра мъжка роля в „Князът“ и „Черните ангели“ на Фестивала на българските филми, Варна през 1969 г. Определен е за най-популярния актьор в Чехословакия за 1976 г.
През 1973 г. той се връща отново на театралната сцена - в Театъра на народната армия, а от 1979 г. в Народния театър „Иван Вазов“. Играе и на сцената на Театър 199, на чиято Стена на славата има пано с отпечатъците му.
От 1988 г. Стефан Данаилов е преподавател по актьорско майсторство в НАТФИЗ, а през 1999 г. стана професор. Той е обучил осем випуска - повече от 250 актьори.
От 2005 до 2009 г. Стефан Данаилов бе министър на културата.