Stefano Modena se fait remarquer très jeune en karting. Il remporte le championnat du monde junior en 1980, puis le championnat d'Europe de la discipline à deux reprises, en 1983 et 1984.

Après un passage formateur dans le championnat italien de Formule Ford, il franchit une étape supplémentaire en accédant au championnat d'Italie de Formule 3 en 1985. La saison 1986 marque son éclosion au niveau international. Au volant d'une Reynard, il remporte trois victoires et termine quatrième du championnat italien. Il se distingue particulièrement lors des épreuves de prestige, terminant deuxième de la course de soutien du Grand Prix de Monaco et décrochant la pole position au prestigieux Grand Prix de Macao. Il s'adjuge également la Coupe d'Europe de Formule 3 lors d'une course en une seule manche sur le circuit d'Imola.

En 1987, il franchit une nouvelle étape et intègre le championnat international de Formule 3000 au sein de l'écurie britannique Onyx Race Engineering. Pour sa première saison dans cette discipline, il s'impose comme l'homme fort du plateau, au volant d'une March-Cosworth. Il signe trois victoires décisives à Vallelunga, à Birmingham et à Imola. Grâce à sa régularité face à une concurrence relevée, il s'empare du titre de champion de la discipline lors de la finale sur le circuit de Jarama.

En F1 Avec Brabham

Cette consécration lui ouvre les portes de la Formule 1 à la fin de l'automne 1987. L'écurie Brabham fait appel à ses services pour remplacer son compatriote Riccardo Patrese lors du Grand Prix d'Australie, qui se déroule sur le circuit urbain d'Adélaïde. Au volant de la Brabham BT56 équipée d'un moteur BMW à quatre cylindres turbocompressé, il se qualifie en quinzième position pour sa première course. Sa course s'avère toutefois plus difficile en raison de la puissance brutale de sa monoplace. Un peu avant la mi-course, il est contraint d'abandonner en raison d'une terrible crampe à la jambe droite.

Eurobrun

Stefano s'engage pour sa première saison complète en Formule 1 au sein de la nouvelle écurie EuroBrun. Dès les premières manches de l'année, le pilote italien se heurte aux limites techniques d'une structure sous-financée et d'un châssis lourd et peu rigide. En raison du grand nombre de participants cette saison-là, la réglementation impose des séances de pré-qualifications auxquelles Modena doit fréquemment se soumettre. Il parvient néanmoins à se qualifier pour le Grand Prix d'ouverture au Brésil, mais sa course s'arrête prématurément en raison d'une défaillance mécanique de la pompe à essence. La suite de la saison s'avère extrêmement ardue : l'Italien termine non classé à Saint-Marin avec huit tours de retard, puis est exclu à Monaco (pour ne pas s'être présenté à un contrôle de pesée) et au Mexique (aileron non conforme). La situation s'améliore au Canada, où il se qualifie en quinzième position et termine douzième. L'été apporte une légère accalmie technique lorsque l'écurie parvient à stabiliser le comportement de la monoplace, ce qui permet à Stefano de se classer quatorzième en France, puis douzième en Grande-Bretagne. Sa principale réalisation de l'année intervient en Hongrie. Parti depuis la dernière place de la grille de départ, il réalise une course solide et franchit la ligne d'arrivée à la onzième place, à trois tours du vainqueur. Les épreuves automnales marquent le retour des limitations budgétaires de l'écurie, ce qui bloque tout développement de la voiture. Stefano essuie trois non-qualifications consécutives, puis parvient à terminer treizième en Espagne, avant d'échouer à se qualifier au Japon. Lors de la dernière manche en Australie, il se qualifie en 20e position, mais sa course s'interrompt au 20e tour à la suite d'une rupture de l'arbre de transmission. Il conclut ainsi cette saison d'apprentissage sans avoir marqué de point au championnat du monde.

Retour chez Brabham

L'année 1989 marque un tournant positif dans la carrière de Stefano, qui est recruté par l'écurie Brabham, de retour dans la discipline après une année d'absence volontaire sous l'impulsion de son nouveau propriétaire, Joachim Lüthi. Il se retrouve au volant de la BT58, une monoplace dotée d'un moteur atmosphérique Judd V8. Ce package technique global se révèle compétitif, notamment lors des qualifications, où les pneus Pirelli offrent une adhérence supérieure lors d'un tour rapide. Après deux abandons lors des deux premières manches, il se qualifie à la huitième place sur la grille de départ à Monaco. Pendant la course, il tire pleinement profit de l'agilité de sa voiture sur ce circuit urbain et de quelques abandons pour remonter dans le classement. Il franchit la ligne d'arrivée à la troisième place, derrière les deux McLaren, décrochant ainsi son premier podium en Formule 1. Cependant, après une dixième place au Mexique, il abandonnera lors des cinq manches suivantes, en partie à cause du moteur Judd qui manque de fiabilité. En Hongrie, il retrouve le chemin de la ligne d'arrivée avec une onzième place. La fin de saison ne lui permet pas de briller, et il conclut sa saison en Australie par une huitième place. Grâce à son podium monégasque, il se classe seizième du championnat.

En 1990, Stefano prolonge son contrat avec Brabham, dont la direction est reprise par le groupe financier japonais Middlebridge. L'écurie commence le championnat avec la BT58 de l'année précédente, puis introduit la nouvelle Brabham BT59 à partir de la troisième manche. La monoplace conserve le moteur Judd V8 et le partenariat avec Pirelli. La saison commence de manière prometteuse à Phoenix. Profitant de l'efficacité des pneus Pirelli sur le revêtement de ce circuit urbain, il se qualifie en dixième position et réalise une course solide pour terminer cinquième. La suite de la saison s'avère nettement plus laborieuse en raison de l'essoufflement technique de l'écurie. Les deux premiers Grands Prix, en Saint-Marin et à Monaco, se soldent par deux abandons avec la BT59. L'Italien enchaîne ensuite une série de quatre Grands Prix à l'arrivée, mais hors des points, avec une septième place au Canada. Les sept épreuves suivantes se traduisent par une succession d'abandons dus à des défaillances mécaniques et à des accrochages. La dernière manche de la saison, en Australie, se termine avec une douzième place. Avec les deux points acquis lors de la manche d'ouverture, il se classe à nouveau seizième du championnat.

Tyrrell

En 1991, il est recruté par Tyrrell pour succéder à Jean Alesi, parti chez Ferrari. Il fait équipe avec le pilote japonais Satoru Nakajima et se retrouve au volant de la Tyrrell 020, une monoplace performante bénéficiant d'un partenariat technique avec Honda, qui fournit le bloc moteur V10. Le pilote italien entame la saison par une solide prestation aux Etats-Unis, se qualifiant en septième position avant de décrocher la quatrième place en course. Il enchaîne malheureusement avec trois abandons consécutifs au Brésil, à Saint-Marin et à Monaco, où il réalise le deuxième temps des qualifications, mais son moteur le trahit à mi-course. Cette déception est rapidement effacée lors de la manche suivante, au Canada. Qualifié en neuvième position, il effectue une remontée méthodique et profite des problèmes mécaniques des leaders dans les derniers tours pour franchir la ligne d'arrivée à la deuxième place, derrière la Benetton de Nelson Piquet. Il ne confirme cependant pas cette performance lors des neuf manches suivantes, ne faisant pas mieux qu'une septième place en Grande-Bretagne. Lors du Grand Prix du Japon, il parvient à marquer un point en se classant sixième. Il termine sa saison par une dixième place en Australie, sous le déluge, et se classe huitième du championnat du monde des pilotes.

Jordan

En 1992, il rejoint Jordan Grand Prix, qui sort d'une première année encourageante dans la discipline. Il fait équipe avec le pilote brésilien Mauricio Gugelmin et pilote la 192, motorisée par un moteur V12 Yamaha. Cette association technique se transforme rapidement en une campagne difficile pour le pilote italien. La monoplace souffre en effet d'un manque de rigidité, d'un équilibre aérodynamique instable et d'un moteur Yamaha lourd et sujet à de constants problèmes de surchauffe. La saison commence mal : lors de la manche d'ouverture en Afrique du Sud, il est non-qualifié. Il parvient à prendre le départ au Mexique et au Brésil, mais abandonne à chaque fois en raison de défaillances de la boîte de vitesses. Le milieu de la saison s'apparente à un véritable calvaire sportif. Stefano échoue à se qualifier en Espagne, puis enchaîne cinq abandons et n'est pas qualifié en Allemagne. Les tensions augmentent au sein de l'équipe face à cette absence persistante de résultats. Après un abandon en Hongrie, l'Italien parvient à rallier l'arrivée pour la première fois de l'année, se classant quinzième en Belgique. Après une nouvelle non-qualification en Italie, il se classe treizième au Portugal, puis septième au Japon. L'écurie se présente à l'ultime Grand Prix de la saison, en Australie, sans avoir inscrit le moindre point au championnat des constructeurs. Sur le tracé urbain exigeant d'Adélaïde, il réalise une prestation solide. Qualifié en quinzième position, il évite les pièges d'une course par élimination et maintient un rythme constant pour franchir la ligne d'arrivée à la sixième place. Ce résultat permet à l'écurie Jordan de marquer son unique point de la saison 1992. Ce Grand Prix marque également la dernière apparition de Stefano en Formule 1, le pilote italien choisissant de mettre un terme à sa carrière dans la catégorie reine à l'issue de cette course.

L'après-F1

En 1993, il réoriente sa carrière vers les compétitions de voitures de tourisme. Il participe au Championnat d'Italie de Supertourisme au volant d'une BMW 318i E36. L'année suivante, il pilote une Alfa Romeo 155 TS et remporte trois victoires, se classant sixième du championnat. Il participe également à quelques courses en DTM et remporte deux victoires.

Fort de ce succès, il rejoint le championnat DTM à temps plein, toujours au volant d'une Alfa Romeo. Au cours des saisons 1995 et 1996, le pilote italien ne remporte aucune victoire, mais monte à cinq reprises sur le podium. En 1997, il se tourne vers le championnat allemand de supertourisme (STW). Fidèle à la marque italienne, il pilote pour l'équipe Alfa Team JAS et participe au développement de la nouvelle Alfa Romeo 156 sur circuit, conservant ainsi sa place parmi les animateurs réguliers du peloton. En 2000, il dispute sa dernière saison complète en circuit, en revenant en DTM. Pour cette ultime campagne, il quitte le giron d'Alfa Romeo pour piloter une Opel Astra V8 Coupé, puis met un terme définitif à sa carrière de pilote de course professionnel.

Une fois retiré des grilles de départ, Stefano entame une reconversion avec le manufacturier Bridgestone. Il met à profit son expérience en devenant pilote d'essais officiel et consultant. Parallèlement, il participe de manière sporadique à des opérations de relations publiques pour des marques automobiles et à des rassemblements de véhicules de compétition historiques.