Diplômé de l'école polytechnique, de l'Ensae ParisTech et de l'Université Pompeu Fabra de Barcelone, Stéphane Lhermitte débute sa carrière en 2002 comme chargé d'études à l'Insee, puis rejoint en 2005 l'ARCEP en tant que chargé d'études.

Il y devient ensuite chef de l'unité de régulation des marchés fixes puis chef de l'unité marché mobiles.

Il intègre en 2008 la direction générale du Trésor, où il est en charge du bureau des études fiscales, avant d'être nommé en 2011 chef du service économique de l'ambassade de France au Portugal. 

Il est nommé directeur des affaires économiques et de la prospective à compter du 1er septembre 2014.