נולד ב-1935 בפשמישל שבפולין, וכשהיה בן ארבע פרצה מלחמת העולם השנייה. אביו, שלחם בצבא הפולני, מת שנה לאחר מכן, ואז רצחו הנאצים את אמו ואת אחותו. שטרנהל נמלט עם דודו ודודתו מגטו פשמישל ללבוב, שם הסתתר כשהוא מתחזה לקתולי בסיוע קצין פולני.
אחרי המלחמה הוטבל שטרנהל לנצרות. "פולין היתה ממש נגועה באנטישמיות, ובמובן מסוים הנורא ביותר היה דווקא אחרי המלחמה", אמר על כך. "היה ברור שליהודים אין עתיד בפולין. ..." ב-1946 הועבר שטרנהל ברכבת של הצלב האדום לצרפת, שם זנח את זהותו הקתולית. "מחקתי את כל מה שהיה בפולין", סיפר. "צרפת נתנה לי הערכה שאין עמוקה ממנה לחירות, לזכויות אדם ולחילוניות. ובכל זאת מעולם לא הרגשתי את עצמי צרפתי, ידעתי שצרפת אינה בית. אני, כיהודי, אני ממקום אחר".
הוא עלה לישראל עוד לפני שסיים את לימודיו, בשנת 1951. במסגרת שירותו בצה"ל, היה קצין בדרגת סגן-משנה בחטיבת גולני, ופיקד על מחלקה במבצע קדש. לימים השתתף גם במלחמת ששת הימים, במלחמת יום הכיפורים ובמלחמת לבנון הראשונה.
עבודתו האקדמית של שטרנהל חיברה בין פוליטיקה, היסטוריה ופילוסופיה פוליטית ומשלבת ביניהן. בשנת 1969 קיבל את הדוקטורנט שלו, ומונה למרצה למדע המדינה באוניברסיטה העברית. הוא כיהן כמנהל המכון למחקר חברתי על שם לוי אשכול בשנים 1975–1977, וכראש המחלקה למדע המדינה בשנים 1975–1978. ב-1989 הופקד על הקתדרה על שם לאון בלום למדע המדינה באוניברסיטה העברית והתמנה לחבר מערכת כתב העת History and Memory. ב-1996 הפך לחבר מערכת של כתב העת Journal of Political Ideologies. הוא פרש לגמלאות בספטמבר 2003.
ספג ביקורת קשה על דברים שאמר בגנות ההתנחלויות ביהודה ושומרון. בספטמבר 2008 הוא אף היה מטרה לפיגוע של טרור יהודי, כשיעקב טייטל הניח מטען צינור בפתח ביתו שבירושלים. פרופ' שטרנהל נפצע באורח קל באירוע.
זכה בפרס ישראל לחקר מדע המדינה בשנת 2008, ונבחר כחבר האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים בשנת 2010. בשנת 2010 נבחר כחבר האקדמית הלאומית הישראלית למדעים, ובשנת 2016 נבחר כחבר האקדמיה האמריקנית לאמנויות ולמדעים.
פרופ' שטנהול נחשב לאחד מחשובי החוקרים בעולם בתחום המחשבה המדינית ולמומחה בינלאומי לפאשיזם.
מתוך: