Issu d'une famille modeste, élevé dans la banlieue de Belfast en Irlande du Nord, William Stephen Millar fait partie très tôt d'une troupe de théâtre, The University Players, avant d'être engagé comme homme à tout faire pour quelques théâtres, où il apparaît parfois en tant que figurant. Il part ensuite à Londres, à 17 ans, où il est engagé comme portier dans un grand théâtre. C'est là que l'acteur Michael Redgrave le remarque et, sur sa recommandation, il intègre la Windsor Repertory Company, et trouve un premier rôle dans Un tramway nommé Désir. En parallèle, il apparaît dans plusieurs productions de la BBC.
Après quelques figurations, il trouve un rôle en 1955 sous la direction de
Jack Lee Thompson dans An Alligator Named Daisy avec Diana Dors. Il signe un contrat de sept ans avec la major
Twentieth Century Fox et trouve un second rôle de qualité dans L'Homme qui n'a jamais existé où il est nommé pour le prix du meilleur espoir masculin aux BAFTA. En 1958, Brigitte Bardot l'impose sur Les Bijoutiers du clair de lune de Roger Vadim et il donne la réplique à Gregory Peck dans les Bravados de Henry King.
Après deux films sous la direction de Henry Hathaway et Jean Negulesco, il intègre le casting de la plus grosse production de l'époque,
Ben-Hur mise en scène par William Wyler. Il y interprète Messala, le gouverneur romain qui envoie son ancien ami Ben-Hur aux galères. Les morceaux de bravoure du film, dont la fameuse course de chars, font de lui un acteur populaire et le lauréat d'un Golden Globe. Il accède à de premiers rôles, dont celui partagé avec
Juliette Greco dans Le Grand Risque en 1961. Associé à l'image du péplum, il participe à plusieurs superproductions : La Chute de l'empire romain en 1964, Genghis Khan face à Omar Sharif en 1965 ou encore La Bible de John Huston en 1966.
Toujours en 1966, il incarne un acteur ambitieux et sans scrupules dans La Statue en or massif. En parallèle, il trouve encore des rôles dans des films de réalisateurs célèbres : Opération opium, de Terence Young réalisateur des premiers James Bond dans une histoire de Ian Fleming, ou Le Voyage fantastique de Richard Fleischer. Mais sa participation à des désastres financiers fait que son contrat n'est pas renouvelé. En outre, il commença le tournage de Cléopâtre avec Elizabeth Taylor mais fut remplacé en même temps que le réalisateur et Peter Finch.
Sa popularité décrut rapidement. Les films notables devinrent rares avec les années 70. On retient Un colt pour trois salopards avec Ernest Borgnine ou Police Magnum avec James Mason. Faute de propositions, il tourne dans beaucoup de séries Z européennes. Stephen Boyd, dont le succès a complètement disparu, se noie alors dans l'alcool. Il prépare toutefois son comeback avec un film de Michael Apted, Le Piège infernal, et entre en négociations pour un rôle dans
Les Oies sauvages avec Roger Moore et Richard Burton.
Il meurt prématurément d'une crise cardiaque foudroyante alors qu'il jouait au golf au Porter Valley Country Club de Northridge en Californie, à l'âge de 45 ans, le 2 juin 1977. Il est enterré à l'Oakwood Memorial Park Cemetery à Chatsworth.