Né le 8 juillet 1967 à Hyères (Var), Stéphane Belmondo pratique la musique très tôt. Il étudie successivement la batterie, la trompette et l'accordéon classique (au Conservatoire d'Aix-en-Provence). Il fait du cornet à piston et de la trompette ses instruments de prédilection et joue de l'accordéon avec son père et son frère Lionel dans un big band.
Primé au Conservatoire de Marseille, il se rend à Paris où il est engagé au Bilboquet. La route de Stéphane Belmondo est alors pavée de rencontres (René Urtreger, Maurice Vander, Michel Gaudry, Pierre Michelot, André Ceccarelli). En 1987, il joue dans le groupe Lumière de Laurent Cugny, et a l'occasion de jouer avec Chet Baker au New Morning. Jusqu'en 1990, le jeune trompettiste accompagne le contrebassiste Pierre Boussaguet avec qui il enregistre. Il joue également dans le groupe fusion Abus avec le guitariste Pierre-Jean Gaucher, dans le big band de Michel Legrand et le Big One de Jean-Michel Pilc.
Entre 1989 et 1995, Stéphane Belmondo multiplie les collaborations, seul ou avec son frère : en quintette (For All Friends) ou avec Dee Dee Bridgewater (Love and Peace) ou Alain Bashung (Chatterton). Ils reçoivent le prix Django Reinhardt de l'Académie du jazz en 1994. Installé à New York en 1995, le trompettiste forme un quartette.
De retour à Paris, Stéphane Belmondo reprend la sarabande des séances et réactive le quintette fraternel pour Infinity (1999), suivi de Live au Plana (2001). Il réalise Ameskeri avec le guitariste Sylvain Luc et Elénar avec le saxophoniste canadien François Théberge. Puis en 2003, il participe à l'Hymne au Soleil de son frère, hommage aux compositeurs du XXème siècle.
En 2003, Belmondo fait rugir sa trompette sur les classiques de Stevie Wonder dans Wonderland, son premier album en soliste. La rencontre de Yusef Lateef l'année suivante débouche sur l'album Influence et une tournée en sextette avec le maître.
En 2008, c'est au tour de Milton Nascimento d'être honoré par les frères Belmondo, accompagnés par Eric Legnini, Thomas Bramerie et André Ceccarelli. En 2011, le neuvième recueil The Same As It Never Was Before réunit une solide et brillante équipe constituée de Kirk Lightsey (piano), Billy Hart (batterie), Sylvain Romano (contrebasse) et du fidèle Laurent Fickelson (piano électrique).
Après une participation à l'album Saint-Germain-des-Prés du guitariste Christian Escoudé, Stéphane Belmondo sert la mémoire du compositeur et chanteur Donny Hathaway. L'album Ever After qui paraît en mars 2013 comprend les interventions de Gregory Porter, Sandra Nkaké (voix en duo sur « Someday We'll All Be Free ») et Jacky Terrasson (piano). Ce dernier l'accompagne dans l'album en duo Mother qui paraît en 2016, après un autre hommage, à Chet Baker cette fois, sur Love for Chet (2015).
La même année voit la famiile Belmondo réunie pour l'album Mediterranean Sounds et une tournée consécutive. Le trompettiste se plonge ensuite dans les compositions de Chet Baker pour l'album Love for Chet (2015), premier volet d'une série, enregistré avec le chanteur Amin Bouker, le guitariste Jesse Van Ruller et le contrebassiste Thomas Bramerie.
