Nick Stahl débute sa carrière dans les années 80 en jouant dans des spots publicitaires, puis s'illustre dans quelques séries télévisées. En 1993, Mel Gibson le choisit pour l'accompagner dans L' Homme sans visage, sa première réalisation. Un baptême de choix sur grand écran, suivi par des rôles d'importance dans le drame Safe passage, avec Susan Sarandon, et le conte fantastique Tall Tale.

En 1997, Nick Stahl s'illustre dans Eye of god puis tient la vedette du thriller Comportements troublants, aux côtés de James Marsden et Katie Holmes. Les choses s'accélèrent alors pour le jeune comédien, qui apparaît dans La Ligne rouge, In the bedroom et le film-choc Bully, chronique adolescente sans concessions de Larry Clark. En 2003, Nick Stahl joue dans Terminator 3 : le soulèvement des machines, succédant à Edward Furlong dans le rôle de John Connor.

Fort d'une expérience plutôt précoce, le comédien se lance dans l'adaptation du comic book Sin City en 2005 et enchaîne avec la comédie The Night of the white pants ayant pour partenaire Tom Wilkinson et Selma Blair. Les tournages sont nombreux pour ce jeune acteur qui rencontre aussi Vera Farmiga sur le plateau du thriller Quid Pro Quo. Adepte des portraits dramatiques, Nick Stahl ne choisit jamais la facilité et s'implique dans des rôles forts, en témoigne son engagement dans Sleepwalking en 2008.

Artiste aux multiples facettes, le comédien s'autorise des incursions dans des productions variées, telles que Le Caméléon du Français Jean-Paul Salomé, deux ans après. Toutefois, ses problèmes de drogue mettent à mal sa carrière et, entre cures de désintoxication et autres séjours en prison, Nick Stahl se fait plus discret sur les plateaux. On le voit toutefois dans des films peu recommandables comme Ma mère, ses hommes et moi, Mirrors 2, Burning Palms ou The Speed of Thought.

Durant les années 2010, le natif de Dallas disparaît presque totalement des écrans. C'est au début des années 2020 qu'il réapparaît, et en meilleure santé. Il joue dans le DTV Hunter Hunter, puis prend part à la cinquième saison d'Animal Kingdom et à la sixième de Fear The Walking Dead. Il trouve ensuite un rôle plus conséquent dans la série horrifique Let the Right One In et intègre le casting du blockbuster adapté du célèbre manga Les Chevaliers du Zodiaque l'année suivante.