Nettie Maria Stevens nació en Cavendish, Vermont, en el seno de una familia de clase media. A los tres años, tras la muerte de su madre, su padre se volvió a casar y se trasladaron a Westford, Massachusetts. Su padre, que era carpintero, insistió en que sus hijas recibieran una buena educación, y ahorró un dinero que le permitió enviar a Stevens y a su hermana Emma a la Academia de Westford, donde estuvieron entre las tres únicas mujeres que se graduaron entre 1872 y 1883. A los 19 años se trasladó a Lebanon, New Hampshire, y durante un año dio clases en la escuela secundaria local, ahorrando dinero para continuar su educación. En 1881 se matriculó en la Escuela Normal del Estado, completando los cuatro años de carrera en sólo dos años, obteniendo la mejor puntuación de su clase. A los 35 años ingresó en la Universidad de Stanford y, tras obtener la licenciatura en Biología, continuó estudiando para obtener un máster. A los 39 años, Stevens comenzó sus estudios de doctorado en el Bryn Mawr College, centrándose principalmente en la regeneración de los organismos multicelulares y el desarrollo de los espermatozoides y los óvulos. Tras obtener su doctorado, fue nombrada investigadora, luego docente en Morfología Experimental y, posteriormente, asociada en Morfología Experimental, donde permaneció hasta su muerte.
Su investigación de doctorado sobre la regeneración la llevó a explorar el proceso de determinación del sexo. Le interesaba saber si el sexo se transmitía por herencia genética. Observó al escarabajo de la harina y descubrió que las células reproductoras de los machos tienen dos cromosomas, uno pequeño y otro grande (hoy conocidos como cromosomas Y y X), mientras que las hembras sólo tienen uno (el cromosoma X). Stevens llegó a la conclusión de que el cromosoma que lleva el varón es el que determina el sexo del embrión: el emparejamiento con el cromosoma pequeño se convierte en un varón (XY), y el emparejamiento con el cromosoma grande en una hembra (XX).
Cuando trabajaba en su investigación, otro investigador, llamado Edmund Wilson, hizo una observación similar y, al principio, fue el único que recibió el crédito por los hallazgos.
Durante los siguientes 11 años, Stevens continuó sus investigaciones y enseñanzas en el Bryn Mawr College, además de publicar más de 30 artículos, y siguió contribuyendo al campo de las ciencias genéticas hasta sus últimos días. Falleció a los 50 años a causa de un cáncer de seno.
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