Wychowawczyni i pedagog, bliska współpracownica Janusza Korczaka. Urodziła się jako córka Juliana (Izaaka) Wilczyńskiego (zm. 1911) i Salomei z domu Walfisz (zm. 1929). Wychowana w polskiej rodzinie żydowskiego pochodzenia, ukończyła pensję Jadwigi Sikorskiej w Warszawie, następnie podjęła i ukończyła studia nauk przyrodniczych na Uniwersytecie w Liège w Belgii. Po powrocie do Warszawy zaczęła pracę – początkowo wolontariacką – w zaniedbanym przytułku dla żydowskich sierot. Jako świetna organizatorka postawiła przytułek na nogi i mianowana została jego kierowniczką. Tam poznała Korczaka i nawiązała z nim współpracę, która – z przerwami – trwała aż do tragicznej śmierci obojga w Treblince. Razem z Korczakiem założyła i prowadziła Dom Sierot dla dzieci żydowskich w Warszawie (1912-1942) przy ul. Krochmalnej 92 (przeniesiony do getta na ul. Chłodną 33, a następnie na ul. Sienną 16 – Śliską 9),gdzie stosowali nowatorskie metody pedagogiczne. Kierowała domem pod nieobecność Korczaka w czasie I wojny światowej oraz podczas jego podróży do Palestyny w latach 1934 i 1936. Sama również bywała w Palestynie, odwiedziła kibuc Ein Harod, nosiła się z zamiarem wyjazdu na Bliski Wschód.
Na grobie jej rodziców w alei głównej cmentarza żydowskiego przy ulicy Okopowej w Warszawie (kwatera 64, rząd 1) znajduje się jej symboliczna mogiła.
Pośmiertnie została odznaczona Srebrnym Krzyżem Zasługi.
W maju 2013 grupa działaczy społecznych wystosowała apel o uhonorowanie Stefanii Wilczyńskiej alejką obok Muzeum Historii Żydów Polskich w Warszawie.