Stefano De Martino muove i primi passi nel settore della danza all'età di dieci anni. Nel 2007 riesce ad aggiudicarsi una borsa di studio a New York, presso il Broadway Dance Center, grazie a cui ha l'opportunità di entrare in contatto con la danza moderna e contemporanea. Dopo aver lavorato nella Oltre Dance Company con la coreografa Macia Del Prete, nel 2009 partecipa come concorrente alla nona edizione del talent show Amici di Maria De Filippi, su Canale 5 venendo eliminato in semifinale e classificandosi primo tra i ballerini. Vince un contratto con il Complexions Contemporary Ballet che gli permette di prendere parte a un tour che lo porta in Nuova Zelanda, Australia e Hawaii.

Dal 2010 è di nuovo ad Amici di Maria De Filippi, questa volta in qualità di ballerino professionista. Nel frattempo lavora come insegnante di danza e coreografo. Nel 2011, nel balletto di Luciano Cannito Cassandra, interpreta il ruolo di Enea accanto a Rossella Brescia. Nel 2015 De Martino diventa supporter e conduttore del daytime di Amici di Maria De Filippi. Nello stesso anno è uno dei protagonisti di Pequeños gigantes, programma condotto da Belén Rodríguez andato in onda all'inizio del 2016 su Canale 5, capitanando la squadra "Gli incredibili". A partire dal 2016 entra nel cast di Selfie - Le cose cambiano, condotto da Simona Ventura su Canale 5, in cui è uno dei mentori. Nel 2018 è l'inviato del reality show di Canale 5 L'isola dei famosi, condotto da Alessia Marcuzzi.

Dal 2019 conduce su Rai 2 il programma comico Made in Sud, affiancato da Fatima Trotta, con la partecipazione di Elisabetta Gregoraci e Biagio Izzo.
Nel medesimo anno conduce sempre su Rai 2 con Belén Rodríguez la Notte della Taranta, la finale del Festival di Castrocaro 2019 e, in sostituzione di Amadeus, presenta Stasera tutto è possibile. Anche nel gennaio 2021 conduce su Rai 2 Stasera tutto è possibile. Nel 2021 ritorna ad Amici di Maria De Filippi, con il ruolo di giudice, insieme a Stash e a Emanuele Filiberto.

Da dicembre 2021 conduce in seconda serata su Rai 2 il suo varietà intitolato Bar Stella.