Stéphan Guérin-Tillié est né à Reims. Il a passé une partie de son enfance à Aurillac dans le Cantal. Suite à sa rencontre avec Pierre Romans (metteur en scène), il entre au cours Florent et travaille avec Raymond Acquaviva et Isabelle Nanty.

Il fait ses premiers pas au théâtre sous la direction de Françoise Petit et de Thierry de Peretti. Les rôles à la télévision et au cinéma vont ensuite se succéder.

Découvert par le grand public en 1997 grâce à son premier rôle principal dans Quatre Garçons pleins d'avenir de Jean-Paul Lilienfeld, c'est la diffusion du téléfilm Juste une question d'amour en 2000 qui va le faire connaître. Ce téléfilm qui relate l'histoire d'amour entre deux hommes touche par sa justesse et émeut un large public lors de sa diffusion.

En 2005, après avoir réalisé deux court-métrages, il passe à nouveau derrière la caméra pour mettre en scène Edy, son premier long métrage dont le rôle titre est interprété par François Berléand. Film noir à l'humour caustique, ce film est aussi le dernier de Philippe Noiret. Marion Cotillard, son ex-compagne, y fait une apparition, incarnant la perfection féminine.