Dal 1990, inizia a lavorare come produttore esecutivo, ma poi sceglie la regia, ottenendo diversi riconoscimenti nei principali festival italiani e internazionali con le sue opere: cortometraggi, documentari e pellicole di finzione.
Stefano Mordini parla di tutto. Di artisti (Paz '77), di globalizzazione (L'allievo modello), dell'amara vita provinciale (Provincia meccanica, Acciaio), di religione (Il confine), di paternità (Come mio padre), di calcio (Arbitri, Io che sarà Roberto Baggio), di politica (Le mie elezioni), ma è più spesso associato a intensi thriller, come le trasposizioni degli omonimi romanzi di Giuseppe Ferrandino, "Pericle il nero", con Riccardo Scamarcio (che poi ritornerà in Il testimone invisibile con Maria Paiato) e di Edoardo Albinati, "La scuola cattolica", sull'efferato massacro del Circeo. Forse perché Mordini è capace di raccontare vicende cariche di tensione analizzando fortemente il contesto e giocando sull'apparenza visiva. I suoi colpevoli, artefici di omicidi, esecuzioni camorristiche, torture e sevizie, sembrerebbero insospettabili, forse solo un po' boriosi. Ma sotto quel velo comune si nasconde l'esaltazione, la morale distorta, il delirio di onnipotenza.

I primi lavori
Uno dei suoi primi lavori è il montaggio di Jolly Blu (1998) di Stefano Salvati, comincerà poi a lavorare nel genere documentaristico con Being Claudia Cardinale, un ritratto della favolosa attrice italiana che si è saputa imporre nel cinema internazionale dagli Anni Sessanta a oggi, venendo diretta da Mauro Bolognini, Luigi Comencini, Blake Edwards, Federico Fellini, Henry Hathaway, Marco Ferreri, Luchino Visconti, Monicelli, Leone, Zurlini, Herzog e tanti altri.

I film della provincia
Il suo esordio in una pellicola di finzione sarà invece in Provincia meccanica con Valentina Cervi e Stefano Accorsi, grazie al quale parteciperà al Festival di Berlino 2005 e gli farà ottenere le candidature al David di Donatello e ai Nastri d'Argento per il miglior regista esordiente (che però andranno entrambi a Saverio Costanzo e al suo Private). Premi a parte, raccontando l'immobilità e la monotonia della vita di provincia di una giovane famiglia, che però diventano tanto più preziose quando cominciano a essere travolte, Mordini tira fuori un'atipica commedia estremamente intelligente sulla sgradevolezza dell'esistenza.
Torna ai documentari con Il confine (2007), all'interno del quale descrive la vita intorno alla Moschea di Viale Jenner a Milano, e Come mio padre (2010), dove invece si occupa di come si sia modificato nel tempo il rapporto padre e figli, per poi ributtare uno sguardo alla vita di provincia con la trasposizione del romanzo "Acciaio" di Silvia Avallone, che viene presentato al Festival del Cinema di Venezia nel 2012. La storia di due adolescenti, amiche inseparabili, che vivono nelle case popolari di Piombino è un'ottima occasione per sottolineare il senso di sconfitta che si respira (attraverso ottimi particolari, panoramiche e primi piani), in certi quartieri e che sembra stare sotto le narici delle persone già dall'età dell'ingenuità. Il cinismo, il senso di rivolta, l'orgoglio e la frustrazione prendono carne nei corpi acerbi delle due protagoniste, richiamando quel senso di evoluto neorealismo nostrano. Alcuni critici però gli imputano una storia troppo semplicistica, melodrammatica e prevedibile.

I thriller
Con Pericle il nero, presentato nella sezione Un Certain Regard del Festival di Cannes del 2016, muove i suoi primi passi nel thriller. Le vicende dello sgherro "Il nero", al servizio di un boss camorrista, che per un errore è costretto a nascondersi e a fare poi i conti con il suo passato, oscurano la necessità di cambiare vita e Mordini valorizza attentamente ogni elemento che possa essergli utile nel creare un racconto dark pessimistico, spesso volutamente poggiato sul pulp e sul noir di matrice statunitense. Ottimo nel manovrare gli attori in scena, il regista riceve però critiche contrastanti.
Due anni più tardi, arriva sugli schermi Il testimone invisibile, su un giovane imprenditore che, assieme a un'avvocatessa penalista, deve riuscire a preparare in sole tre ore la sua strategia di difesa, altrimenti sarà condannato per l'omicidio della sua amante. Mordini qui supera se stesso e apprendendo le belle lezioni giallistiche del cinema scandinavo (cui cominciava già a strizzare l'occhio con Pericle il nero), sorprende lo spettatore a ogni scena. Il film è un remake dello spagnolo Contrattempo, ma si italianizza in una maniera così raggelata da renderlo un meccanismo di affilata precisione visiva.
Nel 2019, dopo Gli infedeli, arriva forse il suo titolo più debole, Lasciami andare, dove con parecchi richiami contenutistici a A Venezia... un dicembre rosso shocking, Mordini mette in scena un giallo soprannaturale sulla misteriosa morte di un bambino, il cui spettro ora sembra infestare la casa nella quale i suoi genitori vivevano fino alla sua triste dipartita.
Un vero pugno allo stomaco è invece La scuola cattolica (2020), nel quale racconta il caso di rapimento di Donatella Colasanti e di omicidio di Rosaria Lopez, che furono attirate con l'inganno da tre rampolli dell'alta società romana (Gianni Guido, Angelo Izzo e Andrea Ghira) in una villa di loro proprietà e lì torturate e violentate.
Nel 2024 dirige Race for Glory - Audi vs. Lancia.

Vita privata
Stefano Mordini è il compagno di Valentina Cervi, dalla quale ha avuto due figli.