Lem nació en Polonia, en la ciudad de Lviv, que ahora pertenece a Ucrania. Durante la guerra se vio obligado a trabajar como soldador y mecánico, y su familia consiguió escapar del gueto de Belzec y librarse, así, de ser trasladada al campo de concentración de la ciudad. Tras la derrota de los nazis, fueron "repatriados" a Cracovia. Lem estudió medicina, pero tuvo problemas para obtener el título debido a que manifestó su discrepancia con las teorías de Lysenko.
Lem es probablemente el escritor polaco más conocido. Sus libros se han traducido a más de 41 idiomas, y su novela Solaris ha sido llevada al cine por Andrei Tarkovski y por Steven Soderbergh (Lem, siempre mordaz, dijo de la primera versión que no estaba basada en su novela sino en Crimen y castigo; y de la segunda, que, hasta donde él sabía, su libro no estaba dedicado a "los problemas eróticos de la gente en el espacio exterior"). Era un hombre extraordinariamente culto que fue miembro fundador de la Sociedad Polaca de Astronáutica y profesor de Literatura Polaca en la Universidad de Cracovia. Poco a poco fue espaciando su producción literaria, que abandonó a mediados de los 80, según decía él mismo, porque "no veía la necesidad de escribir otro libro más".
Escribió sobre robots, sobre viajes espaciales y sobre sociedades futuras, pero no se consideraba a sí mismo un autor de ciencia ficción. En 1973 fue nombrado miembro honorario de la SFWA, la sociedad estadounidense de escritores de ciencia ficción, pero no ocultó su desprecio por el género. Decía que estaba mal pensado, pobremente escrito y, habitualmente, más interesado en la aventura que en las ideas o la forma literaria. Salvaba únicamente a Philip K. Dick, que sin embargo dijo: "Los ataques groseros, insultantes y completamente ignorantes de Lem a la ciencia ficción americana y a sus escritores fueron demasiado lejos demasiado rápido y se ganaron la antipatía de todo el mundo". Lem fue expulsado de la SFWA tres años después de su ingreso.
En realidad, Lem es un escritor mucho más próximo a autores como Jonathan Swift o Cyrano de Bergerac. Como ellos, utiliza la fantasía para eludir la censura y criticar con mordacidad la sociedad de su tiempo. Los relatos de seres cibernéticos y planetas lejanos le permitían, además, escribir historias sorprendentes, en las que su desbordante imaginación mantiene sin embargo una estricta lógica interna. Por ejemplo, imagina un planeta donde abundan los elementos pesados, hasta el punto de que el metal precioso es el plomo y no el oro. Así que cuando se urde un complot para derrocar a un tirano que exige impuestos demasiado elevados, los conjurados entregan monedas de uranio cubiertas por una ligerísima capa de plomo. Cuando la cantidad de uranio acumulada alcanza la masa crítica, se produce una explosión nuclear que acaba con el dictador.
En sus relatos se revela como un pesimista antropológico que desconfía de la tecnología y que desarrolla personajes poco ejemplares, que invariablemente fracasan en sus proyectos. Ijon Tichy, el astronauta protagonista de Diarios de las estrellas, proviene de una familia de orates, estafadores y excéntricos. Él mismo tiene poco de héroe, y suele ser un juguete de las circunstancias. Los protagonistas de Solaris, su novela más conocida, tienen un pasado oscuro que se vuelve contra ellos. Los ciberconstructores Clapaucio y Trurl fracasan en casi todos sus empeños, pero no pierden ocasión de perjudicarse mutuamente.
Otros temas recurrentes en las obras de Lem son las dificultades para comunicarse con robots o alienígenas, la futilidad de la tecnología y su incapacidad para resolver los problemas de los hombres, la adivinación del futuro o la imposibilidad de entender el mundo en que vivimos.
Según afirmaba, era ateo "por razones morales". "Soy de la opinión –decía– de que se reconoce a un creador por su creación, y el mundo me parece que está ensamblado de una forma tan dolorosa que prefiero creer que no fue creado por nadie a pensar que alguien creó esto intencionadamente".
A pesar de todo, Lem tenía un agudo sentido del humor, que impregna toda su obra. Muchos de los relatos de Ciberiada, por ejemplo, pueden leerse casi como cuentos para niños. Como sucede con los grandes escritores, hay distintos niveles en sus obras. Él mismo comparó su Solaris con Moby Dick: del mismo modo que Moby Dick no es (sólo) una historia de pescadores, Solaris no es simplemente una narración sobre una estación espacial que orbita en un planeta extraño.