Stein dilahirkan dan meninggal dunia di New York City. Beliau ialah anak kepada Beatrice Cecilla (Borg), seorang aktivis hak kanak-kanak, dan Fred Michael Stein, seorang ahli bank,[2] Beliau berpendidikan di Akademi Phillips Exeter, Universiti Harvard dan Universiti Columbia. Beliau kemudiannya seorang penyelidik di bawah Max Bergmann di Universiti Rockefeller, di mana banyak kerja yang paling penting telah dilakukan.[3]

Stein memenangi Hadiah Nobel dalam Kimia pada tahun 1972 bersama Christian Boehmer Anfinsen dan Stanford Moore, kerana kerja mereka pada ribonuklease dan untuk sumbangan mereka untuk memahami hubungan antara struktur kimia dan aktiviti katalitik molekul ribonuklease.

Pada tahun 1958 beliau dan Stanford Moore membangunkan penganalisis asid amino automatik pertama, yang memudahkan penentuan urutan protein. Stein kekal di Rockefeller untuk kerjayanya dan memegang jawatan profesor di Universiti Washington di St. Louis, Kolej Haverford, Universiti Chicago dan Universiti Harvard.