Alla fine degli anni '50, la DC Comics ha creato la Justice League rendendo più popolari i supereroi dei fumetti. In risposta, l'editore Lee fu assunto per creare una nuova squadra di supereroi. La moglie di Lee, Joan, ha detto che lui sperimentava storie che gli piacevano, dato che aveva intenzione di cambiare carriera e non aveva niente da perdere.
Lee ha seguito il consiglio di sua moglie e ha creato una serie di eroi con difetti di carattere perché molti eroi prima erano visti come esseri quasi perfetti.
I primi supereroi che Lee e l'artista Jack Kirby hanno creato insieme sono stati i Fantastici Quattro. Divennero popolari, il che portò gli illustratori di Lee e Marvel a creare nuovi eroi. Sempre lavorando con Kirby, Lee ha co-creato Hulk, Thor, Iron Man e gli X-Men; con Bill Everett, Daredevil; e con Steve Ditko, il personaggio di maggior successo del Dottor Strange e della Marvel, Spider-Man. Come risultato, Lee ha creato un universo condiviso tra gli eroi di fantasia. Lee e Kirby hanno unito diversi dei loro nuovi personaggi creati insieme nel titolo del team The Avengers.
La rivoluzione di Lee si è estesa oltre i personaggi e le trame al modo in cui i fumetti hanno coinvolto i lettori e costruito un senso di comunità tra i fan e i creatori. Introdusse la pratica di includere regolarmente un pannello di credito sulla splash page di ogni storia, nominando non solo lo scrittore e il penciller, ma anche l'inchiostratore e il letterer. Le notizie regolari sui membri dello staff della Marvel e le prossime storie sono state presentate sulla pagina Bullpen Bulletins, che (come le colonne delle lettere che compaiono in ogni titolo) è stata scritta in uno stile amichevole e chiacchierone. Lee ha osservato che il suo obiettivo era che i fan pensassero ai creatori di fumetti come a degli amici, e ha considerato un segno del suo successo su questo fronte che, in un momento in cui le lettere ad altri editori di fumetti erano tipicamente indirizzate "Caro Editore", le lettere alla Marvel si rivolgevano ai creatori per nome (ad esempio "Caro Stan e Jack").
Negli anni '60, Lee scrisse, disegnò e curò la maggior parte delle serie della Marvel e scrisse una rubrica mensile chiamata "Stan's Soapbox". Scrisse un'infinità di copie promozionali, spesso firmando con il motto del suo marchio, "Excelsior! Lee si inventava una storia con l'artista e poi preparava una breve sinossi piuttosto che una sceneggiatura completa. Sulla base della sinossi, l'artista riempiva il numero di pagine lasciate, determinando e disegnando il racconto da pannello a pannello.
Dopo che Ditko lasciò la Marvel nel 1966, John Romita Sr. divenne collaboratore di Lee in The Amazing Spider-Man. Nel giro di un anno, ha superato i Fantastici Quattro per diventare il top seller dell'azienda. Le storie di Lee e Romita si sono concentrate tanto sulla vita sociale e universitaria dei personaggi quanto sulle avventure di Spider-Man. Le storie parlavano di temi dell'epoca, come la guerra del Vietnam, le elezioni politiche e l'attivismo studentesco. Lee creò la Pantera Nera, un re africano che sarebbe stato il primo supereroe nero dei fumetti mainstream.
Lee e l'artista John Buscema hanno creato la serie The Silver Surfer nell'agosto 1968.
L'anno successivo, Lee e Gene Colan creano il Falcon, il primo supereroe afroamericano dei fumetti in Capitan America #117 (settembre 1969). Poi, nel 1971, Lee ha contribuito a cambiare il Codice del Fumetto. Il Dipartimento della Salute, dell'Educazione e del Welfare degli Stati Uniti aveva chiesto a Lee di scrivere una storia a fumetti sui pericoli della droga. Di conseguenza, Lee creò una storia in tre numeri di The Amazing Spider-Man #96-98 (data di copertina maggio-luglio 1971), in cui il migliore amico di Peter Parker diventa dipendente da farmaci su prescrizione. L'Autorità del Codice del Fumetto non lo approvò perché le storie descrivevano l'uso di droghe. Tuttavia, Lee fece pubblicare la storia senza il sigillo di approvazione dell'autorità. I fumetti hanno venduto bene e la Marvel ha avuto recensioni positive per la sua attenzione alle questioni sociali mature.
Lee ha sostenuto l'uso dei fumetti per criticare gli eventi sociali sul mondo reale, spesso parlando di razzismo e bigottismo.
Nel 1972, Lee ha smesso di scrivere fumetti mensili per diventare editore. Il suo ultimo numero di The Amazing Spider-Man era il numero 110 (luglio 1972) e l'ultimo Fantastic Four era il 125 (agosto 1972).