De første fyrtårne i Danmark blev opført omkring 1750. Det første fyr på Stevns blev opført i årene 1816-1818 oven på Stevns Klint, hvis højde sikrede, at fyrets signaler kunne ses fra lang afstand. Derfor var det første fyr blot opført som en halvrund tilbygning for enden af fyrmesterboligen. Fyret og fyrmesterboligen blev tegnet af arkitekten Poul de Løvenørn, der også stod bag Tunø Fyr, Sprogø Fyr og Christiansø Fyr.
På opførelsestidspunktet var fyret et af de mest moderne i Europa, idet fyret havde et roterende spejlapparat, som var epokegørende nytænkning i datidens fyrteknik. Stevns Fyr var blot det andet fyr i Danmark med denne teknik, som man brugte, hvor der var størst trafik. Det blinkende lys gjorde, at datidens store nye dampskibe kunne adskille Stevns Fyr fra Falsterbo Fyr på svenskekysten. Der blev i alt skabt otte af disse roterende spejlfyr i Danmark. I løbet af 1800-tallet blev fyrmesterboligen udvidet.
Trafikken i Østersøen tog til, og det blev nødvendigt med et større og kraftigere fyr på Stevns. I årene 1877-1878 blev der derfor opført et 27 meter højt fyr, bygget i kridtsten fra klinten. Efter indvielsen af det nye fyr i 1878 tog man det gamle fyr ud af brug.
Teknikken i dette nye fyr var et roterende linseapparat, der oprindeligt fungerede som et urværk med lodder, som skulle trækkes op, men i 1900-tallet blev dette drivværk udskiftet med en elmotor, idet man dog bibeholdt urværket, der så kunne bruges i nødstilfælde.
I begyndelsen var fyrets lys levende og baseret på petroleum, men dette blev ændret i 1927, hvor der blev installeret en elektrisk pære. Fyret er nu fjernstyret og blinker med et langt blink hvert 25. sekund.
Oprindeligt var der tilknyttet mange mennesker til fyret, og på den tid var folkene på fyret "finere" end bønderne. Foruden fyrmesteren og hans familie var der også en fyrassistent med familie, som boede i boligerne, der lå omkring fyret. Kun fyrmesterboligen er bevaret.
I 1903 fik fyret påbygget et maskinhus. Dette hus blev sidenhen fjernet og boligerne blev nedlagt. Maskinsalen blev i stedet indrettet i fyrmester-boligens vestre del.
Indtil 2009 var Stevns Fyr ejet af Farvandsdirektoratet, hvorpå Skov- og naturstyrelsen overtog bygningerne. Stevns Kommune lejer bygningerne og har åbnet dem for adgang. Der arbejdes med planer om at skabe Stevns Fyrcenter med udstillinger om historien og naturen omkring klinten.
Stevns Klint og Stevns Fyr har længe haft strategisk betydning i forhold til forsvaret af Sydøstsjælland. Således var der befæstningsanlæg med skanser og kanoner i 1700-tallet, og skansen blev fortsat anvendt under Englandskrigene i begyndelsen af 1800-tallet. I 1901 anlagde man en raketredningsstation ved fyret med fast kystvagt. I 1928 blev dette fuldt op med etableringen af en radiopejlingsstation på fyret, og i slutningen af Anden Verdenskrig etablerede den tyske besættelsesmagt en flyledelsesstation.
Under Den Kolde Krig etablerede flyvevåbnet eskadrille 543 med raketter og radaranlæg for at holde sig orienteret om Warszawapagtens militære operationer i indsejlingen til Østersøen og som forsvar mod en eventuel aggression.
Efter Den Kolde Krigs afslutning var behovet for militær tilstedeværelse på Stevns ikke længere til stede, og eskadrille 543 blev nedlagt i 2002. Dette medførte, at adgangen til området omkring fyret atter blev åbnet for offentligheden.