Stevenson wurde als Sohn armer Eltern geboren. Seine erste Tätigkeit bestand in der Bedienung einer Dampfmaschine in einer Kohlengrube. Hier zeichnete er sich durch die zweckmäßige Einrichtung eines Pumpenwerks aus. Er wurde Aufseher und leitete später die Kohlenwerke von Lord Ravensworth bei Darlington.
1814 baute er für die dort angelegte Eisenbahn eine Dampflokomotive, die über lange Zeit als die erste brauchbare Lokomotive angesehen wurde. Hierbei wurde verkannt, dass die erste Dampflokomotive, gebaut von Richard Trevithick1804 nicht an der Lokomotivtechnologie, sondern an den gusseisernen Schienen der ursprünglichen Pferdebahn scheiterte, für die die Lok einfach zu schwer war. 1813 baute William Hedley bereits seine "Puffing Billy" für die Wylam-Zeche, die sich so gut bewährte, dass mehrere Lokomotiven dieses Typs gebaut wurden. George Stephenson war also nicht der Erfinder der Dampflokomotive, wohl aber der erfolgreichste Eisenbahnpionier des beginnenden 19. Jahrhunderts.
Parallel mit Humphry Davy erfand Stevenson eine Sicherheitslampe für Grubenarbeiter.
Unter der Leitung Stevensons wurde am 27. September1825 zwischen Stockton und Darlington die erste öffentliche Eisenbahn der Welt eingweiht. Seine "Locomotion" wurde vor 38 Wagen gespannt, die teilweise mit Kohlen und Weizen beladen waren. Die meisten Wagen waren jedoch mit Sitzplätzen für ca. 600 Festteilnehmer versehen. Tags darauf begann der regelmäßige Betrieb mit dem Personenwagen "Experiment", der jedoch noch über Jahre hinweg durch ein Pferd gezogen wurde. Auf dieser Strecke fuhren drei von Stevenson konstruierte Lokomotiven.
Die Erbauung der Liverpool-Manchester-Eisenbahn 1829 begründete seinen Ruf für immer. Bei dem berühmten Rennen von Rainhill für die beste und schnellste Lokomotive dieser Bahn, welche ihr dreifaches Gewicht mit 10 engl. Meilen Geschwindigkeit in der Stunde ziehen sollte, ohne Rauch zu erzeugen, errang the Rocket von Robert und George Stephenson den Preis, indem sie ihr fünffaches Gewicht zog und 14-20 engl. Meilen in der Stunde zurücklegte, also die gestellten Bedingungen weit übertraf. Dieser Erfolg war hauptsächlich der Wiedereinführung des eine lebhaftere Verbrennung erzeugenden Blasrohrs sowie des nach einer Idee Booths, des Generalsekretärs der Gesellschaft, zu einer größern Dampfentwickelungsfähigkeit geeigneten Röhrenkessels zuzuschreiben.
Von da an leitete Stephenson den Bau der bedeutendsten Eisenbahnen in England oder baute Maschinen für dieselben und wurde zu gleichem Zweck nach Belgien, Holland, Frankreich, Deutschland, Italien und Spanien berufen. Die erste deutsche Lokomotive Adler kam aus der in Darlington errichteten Maschinenbauanstalt hervor.
Er war zuletzt auch Eigentümer mehrerer Kohlengruben und der großen Eisenwerke von Claycroß und starb 12. Aug. 1848 in Tapton House bei Chesterfield. Seine Statue wurde in Newcastle auf der Stephensonbrücke aufgestellt.
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