Narodil sa 21. júla 1880 v Košariskách pri Brezovej pod Bradlom v mnohodetnej rodine evanjelického kňaza – národovca. 

Po ľudovej škole v rodisku a Šamoríne študoval na lýceu v Bratislave (1890 – 1893), kde mu bol profesorom aj komeniológ Ján Kvačala. Stredoškolské štúdium dokončil v Šoprone a v Sarvaši, odkiaľ sa vydal na ČVUT do Prahy na štúdium stavebného inžinierstva. 

Tam veľmi aktívne pôsobil v spolku slovenskej mládeže – Detvan – i v Československej jednote, kde sa vyhraňovalo jeho národné povedomie. Na štúdiu techniky (1898 – 1901) vynikal riešením komplikovaných matematických úloh spamäti. 

V roku 1904 absolvoval na Karlovej univerzite štúdium filozofie a astronómie, ktorá ho potom sprevádzala po celý krátky život, navyše naplnený chorobami a krízami. Keď v roku 1904 obhájil doktorát na Karlovej univerzite v Prahe na tému Supernova Cassiopei z roku 1572 (predtým navštívil observatóriá v Miláne, Ženeve a Zürichu), rozhodol sa pre jednu z najslávnejších hvezdární v Meudone pri Paríži, ktorú viedol spoluzakladateľ astrofyziky prof. Jules Janssen. V rokoch 1905 až 1909 vystúpil Štefánik šesť ráz na Mont Blanc, najvyšší vrch Európy, odkiaľ pozoroval planéty a tzv. telurické čiary v slnečnom spektre, ale usiloval sa aj určiť rotáciu Venuše. Podľa pozorovania niektorých škvŕn na Venuši zistil, že jej rotácia je kratšia ako rotácia Zeme. Významné boli aj jeho výskumné cesty za zatmením Slnka do rozličných končín sveta: roku 1905 s prof. Janssenom do Španielska a do Anglicka, kde ho v Oxforde zvolili za člena Únie pre pozorovanie a výskum Slnka. Pretože bol aj spolupracovníkom francúzskeho ministerstva námorníctva, na vedeckovýskumných cestách ho poverovali aj inými úlohami, a tak napr. zaviedol vo francúzskej armáde pravidelné meteorologické pozorovania a služby. Do Turkestanu neďaleko Taškentu (1907 – už bez prof. Janssena), na južný svah Atlasu v Alžírsku (1903), na Tahiti (1910 – kde 18. mája prechádzala popred slnečný disk Halleyho kométa), do Brazílie v blízkosti Ria de Janeiro (1912) – to boli ďalšie Štefánikove vedecké cesty za zatmeniami Slnka. Naša popredná astronómka Ľudmila Pajdušáková hodnotila Štefánikove zásluhy v astronómii takto: „Spočívajú v rozvíjaní a uplatňovaní progresívnych smerov astrofyziky, najmä v úsilí o využitie predností vysokohorských observatórií i na južnej pologuli. Správnosť obidvoch projektov (Mont Blanc a Tahiti), ktoré sa Štefánikovi pod vplyvom poveternostných okolností nepodarilo doviesť do konca, potvrdil ďalší vývoj astronómie. Štefánikove práce na Mont Blancu (4 810 m) priniesli v ďalších rokoch rozhodujúci pokrok vo viacerých oblastiach astrofyziky, najmä solárnej fyziky.“