Geboren 1963 in Braunschweig, begann Stefan Grimme 1984 sein Chemiestudium an der Technischen Universität Braunschweig.
1991 promovierte er bei Herbert Dreeskamp über die Photochemie von Ketonen.
Nach mehrjähriger Tätigkeit als wissenschaftlicher Assistent schloss er 1997 seine Habilitation im Fach Theoretische Chemie in der Gruppe vom Sigrid Peyerimhoff (Leibniz-Preisträgerin 1989) an der Universität Bonn ab.
Im Jahr 2000 wurde Stefan Grimme Nachfolger von Martin Klessinger auf dem Lehrstuhl für Theoretische Organische Chemie in Münster.
2011 nahm er den Ruf auf eine W3-Professur als Leiter des Mulliken-Center für Theoretische Chemie an und kehrte damit nach Bonn zurück.