Stefan Bellof commence sa carrière par le karting, puis intègre le championnat allemand de Formule Ford 1600 en 1980, qu'il remporte dès la première année.

L'année suivante, il poursuit son ascension en participant au championnat d'Allemagne de Formule 3 durant l'été. Malgré une participation partielle à la saison, il signe trois succès et termine troisième du championnat. En 1982, il rejoint la Formule 2 au sein de l'écurie Maurer Motorsport. Lors de son premier départ dans la discipline, sur le circuit de Silverstone, il décroche la victoire. Il réitère cette performance lors de l'épreuve suivante, à Hockenheim. Mais par la suite, il ne gagne plus et termine ce championnat à la quatrième place.

En 1983, il mène un double programme en Formule 2 et en endurance. Porsche le recrute comme pilote d'usine pour piloter la Porsche 956 dans le cadre du Championnat du monde des marques. Associé à Derek Bell, il s'impose aux 1 000 km de Silverstone, de Fuji et de Kyalami. Le 28 mai 1983, lors des qualifications pour les 1 000 kilomètres du Nürburgring, il réalise un tour de la Nordschleife en 6 min 11 s 13. Ce temps restera la référence absolue du circuit pendant trente-cinq ans. Lors de la course, il est victime d'un accident à haute vitesse à cause d'un délestage aérodynamique, mais il en réchappe indemne. Il dispute également ses premières 24 Heures du Mans, où il abandonne en raison d'une défaillance du moteur. Ses résultats en endurance lui permettent de terminer à la quatrième place du championnat du monde des pilotes. Ses performances sur la piste durant cette période attirent l'attention des écuries de Formule 1, comme ATS, qui envisage de le faire débuter, mais le projet n'aboutit pas.

En F1 avec Tyrrell

Il accède à la Formule 1 en 1984 au sein de l'écurie Tyrrell. Il pilote la Tyrrell 012, une monoplace équipée d'un moteur Ford Cosworth atmosphérique. Il dispute son premier Grand Prix au Brésil, mais abandonne en raison d'un problème mécanique. Il marque son premier point en Belgique en terminant sixième, puis améliore cette performance lors du Grand Prix de Saint-Marin en se classant cinquième. Le point culminant de sa saison survient au Grand Prix de Monaco. Qualifié en dernière position sous une pluie battante, il entame une remontée dans le peloton jusqu'à la troisième place. Mais alors qu'il reprend plusieurs secondes par tour aux leaders, la direction de course stoppe l'épreuve. Cependant, sa saison de Formule 1 est marquée par une décision majeure. A la suite du Grand Prix de Détroit, la FIA détecte des irrégularités techniques sur les Tyrrell concernant le lestage du réservoir d'eau durant la course. L'écurie est exclue du championnat du monde et tous les résultats obtenus par le pilote allemand durant l'année, dont son podium monégasque, sont annulés des tablettes officielles.

En marge de la Formule 1, il participe à une campagne complète en Championnat du monde des marques avec l'écurie d'usine Rothmans Porsche. Au volant de la Porsche 956, il domine la discipline aux côtés de son coéquipier Derek Bell. Le duo remporte les 1 000 km de Monza, du Nürburgring, de Spa-Francorchamps, d'Imola, de Fuji et de Sandown Park, en Australie. Ces victoires lui assurent le titre de champion du monde des pilotes d'endurance.

Pour la saison 1985, il poursuit sa collaboration avec Ken Tyrrell. La première partie du championnat se déroule toujours avec un moteur atmosphérique, en attendant l'aboutissement du partenariat avec Renault pour la fourniture d'un moteur turbo. Lors de la deuxième manche, au Portugal, disputée sous un déluge sur le circuit d'Estoril, il termine sixième. Son résultat le plus probant intervient lors du Grand Prix de Détroit, en juin. Sur ce tracé urbain exigeant, il parvient à hisser sa Tyrrell 012 à la quatrième place après une course d'attente et de précision. A partir du Grand Prix d'Allemagne, sur le Nürburgring, il dispose enfin du moteur Renault turbo sur le nouveau châssis Tyrrell 014, ce qui lui permet d'améliorer ses performances en qualifications, même si la fiabilité de l'ensemble reste précaire.

En endurance, il ne fait plus partie de l'équipe officielle Porsche, principalement à cause de ses ambitions en Formule 1 et de tensions contractuelles. Il rejoint la structure privée Brun Motorsport et se classe troisième lors des 1 000 km du Mugello. En juillet, il s'impose lors de l'épreuve de DRM au Norisring, confirmant ainsi son aisance sur les circuits urbains.

Le 1er septembre 1985, il prend le départ des 1 000 km de Spa-Francorchamps. Au soixante-dix-huitième tour, alors qu'il occupe la deuxième place, il tente de dépasser la Porsche d'usine de Jacky Ickx à l'entrée de la compression du Raidillon de l'Eau Rouge. Les deux prototypes entrent alors en contact à plus de 250 km/h. La voiture de Bellof percute alors frontalement les barrières de sécurité et s'embrase. Malgré l'intervention rapide des secours et les tentatives de réanimation, le pilote allemand succombe à ses blessures peu après l'accident, au centre médical du circuit.