Stefano Dionisi nasce il 1 ottobre 1966 a Roma. Nel 1985 consegue la maturità classica e, ormai ventenne, studia per un anno teatro a La Scaletta. Viaggiare è la sua passione, come sembrano testimoniare i soggiorni a New York City e in India. Debutta in televisione nel 1984 con la popolare serie de 'La Piovra', mentre il suo esordio cinematografico avviene solo nel 1990 con il film Il segreto di Francesco Maselli. Tra le sue migliori interpretazioni vanno ricordate quelle in 'Sostiene Pereira', 'Farinelli', 'Bambola', 'La Tregua', 'L'Arcano incantatore' e 'L'Albero delle pere'. Vince diversi premi cinematografici, tra cui uno speciale David Di Donatello conferitogli 'per aver promosso con le sue interpretazioni un'immagine eccellente del cinema italiano'. Da ricordare, infine, come 'Il partigiano Johnny', ha ottenuto fortissimi consensi di pubblico e critica all'edizione 2000 del Festival di Venezia.
L' anno successivo interpreta la parte del piccolo Giacomo nel cast di "Non ho sonno" diretto da Dario Argento.
Nel 2004 lo rivediamo nel film di Michele Placido, "Ovunque sei",pellicola vincitrice del Nastro d'Argento per la migliore fotografia.
E' presente in questi giorni nelle sale con il film "Raul", insieme a Violante Placido e Giancarlo Giannini,diretto da Andrea Bolognini.
L'attore ha lavorato al film "Antonio Vivaldi", di Jean -Louis Guillermou e alla pellicola "Family Game" (2008).