Stéphane Bouillon est diplômé de l'ENA. Il débute sa carrière en 1984 à la préfecture de Corse. Il continue au sein des préfectures des départements de Seine-Saint-Denis, Nord, Alpes maritimes et Côte d'Or. En 2011, il prend en charge la direction du cabinet de Claude Guéant, ministre de l'Intérieur. Un an plus tard, il est nommé préfet d'Alsace, puis préfet de la région Provence-Alpes-Côte-d'Azur et préfet des Bouches du Rhône en 2015.
Il est préfet du Rhône, préfet de la région Auvergne-Rhône-Alpes et préfet coordonnateur du bassin Rhône-Méditerranée depuis octobre 2017.