Enfant unique, il n'a pas connu son père, aviateur acrobatique qui disparaît peu après sa naissance tandis que sa mère l'abandonne dans une ferme. Il est en partie élevé par son oncle, à Slater dans le Missouri. À l'âge de douze ans, il retrouve sa mère mais ne lui pardonne pas de l'avoir délaissé. Il part vivre avec elle à Los Angeles. Adolescent incontrôlable, McQueen se mêle aux bandes de voyous de Los Angeles. Il quitte très tôt l'école et s'engage dans la marine marchande puis chez les Marines en 1947 où il est mécanicien. En 1952, il étudie à l'Actors Studio de New York et fait ses débuts à Broadway en 1955, dans la pièce A Hatful of Rain.
En 1956, il tourne dans son premier film, Marqué par la haine, sous la direction de
Robert Wise. Sa figuration est si peu importante qu'il n'appararait même pas au générique. Solitaire et renfermé sur lui-même, agressif parfois, il est considéré avec beaucoup de réserves par les studios. Il finit néanmoins par obtenir le rôle qui le propulsera star de Hollywood, celui du chasseur de primes Josh Randall, dans la série télévisée Au nom de la loi, chasseur de primes dans le Far West, armé d'une Winchester calibre 44/40 modèle 1892 à crosse et canon sciés. Il jouera au total dans 94 épisodes pour trois saisons de 1958 à 1961. En peu de temps, il devient l'une des figures les plus connues d'Amérique.
1958 est une grande année pour McQueen, puisqu'il obtient également cette année-là le premier rôle majeur de sa carrière avec Danger planétaire. Dans les années 1960, l'acteur devient rapidement l'un des acteurs les plus convoités de sa génération. Il tourne à plusieurs reprises avec
John Sturges, d'abord dans
La Proie des vautours en 1959 qui le relève auprès des cinéphiles. Il fait surtout partie du casting de
Les Sept Mercenaires aux côtés de
Yul Brynner, Charles Bronson et
James Coburn en 1960. Il a dû simuler un accident de voiture afin de se libérer du tournage de la série TV Au nom de la loi pour jouer dans Les Sept Mercenaires. Il retrouvera encore Sturges en 1963 à l'occasion de La Grande Évasion dans lequel il suggère lui-même l'idée de l'évasion à moto, une séquence devenue mythique. McQueen participe à L'Enfer est pour les héros avant d'accepter de tourner dans
Une certaine rencontre de
Robert Mulligan en 1963 où il côtoie l'héroïne de
La Fureur de Vivre. Joueur averti, Steve McQueen est ensuite
Le Kid de Cincinnati en 1965 pour sa première collaboration avec
Norman Jewison avant de retrouver le réalisateur de ses débuts, en pleine guerre civile chinoise dans La Canonnière du Yang-Tse en 1966. Son rôle lui vaut une nomination pour l'Oscar du meilleur acteur en 1967.
En 1968, Steve McQueen tourne deux de ses films les plus célèbres. Le temps d'une partie d'échec, il joue un jeu de séduction torride avec
Faye Dunaway dans L'Affaire Thomas Crown. Il enchaîne avec Bullitt de Peter Yates, film mythique dans lequel on retrouve les séquences de courses-poursuites les plus incroyables de l'histoire du cinéma. McQueen tentera encore, mais avec moins de succès de lier son amour pour la vitesse et les courses automobiles avec le cinéma à l'occasion d'un film tout à la gloire des sports mécaniques, Le Mans en 1971.
Durant les années 1970, il est l'acteur le mieux payé de tous le show-business et continue de tourner dans des films importants que
Guet-apens (The Getaway) de
Sam Peckinpah en 1972, où il rencontre Ali McGraw, qui est devenue célèbre par son rôle dans
Love Story, il l'épouse en secondes noces. Mais il tourne aussi dans
Papillon de
Franklin J. Schaffner en 1973 ou encore
La Tour Infernale en 1974 sous la direction de John Guillermin. Après McQueen ne devient plus que l'ombre de lui-même. Il prend du poids, porte la barbe et la rumeur décrit de supposés problèmes de toxicomanie. Il est en fait rongé par un cancer des poumons. Il tourne son dernier film
Le Chasseur en 1980.
Ami proche de
Bruce Lee qui lui avait enseigné quelques arts martiaux, lorsque ce dernier décède en 1973, il porte son cercueil avec
James Coburn, Robert Lee, Taky Kimura et
Dan Inosanto.