Professeur de mathématiques appliquées au Courant Institute de NYU à partir 1988. En 1995, il est devenu professeur à l'Ecole Polytechnique. De 2001 à 2007, il a co-fondondé et dirigé une start-up de semi-conducteurs. En 2012, il a rejoint l'Ecole Normale Supérieure, à Paris. Depuis 2017, il est titulaire de la chaire de Sciences des Données au Collège de France.

Les domaines de recherches de Stéphane Mallat incluent l’apprentissage statistique, le traitement du signal, et l'analyse harmonique. Il est membre de l'Académie des sciences et de l'Académie des technologies, membre étranger de la National Academy of Engineering Américaine. Il est fellow IEEE et fellow EUSIPCO. Il a reçu l'outstanding achievement award de SPIE en 1997, le grand prix européen IST en 2004, le prix INIST-CNRS 2004 du français le plus cité en sciences de l'ingénieur, le grand prix EADS de l'académie en 2007, la médaille de l'innovation du CNRS en 2013, et le prix IEEE Freidrich Gauss en 2018.