Desafiando todos os tabus em sua exploração do "nascimento, sexo, morte e busca por Deus", ele voltou sua câmera para relações sexuais explícitas, partos e até mesmo autópsias. Muitas de suas obras mais famosas exploram a própria natureza da visão e transcendem o ato de filmar. Alguns filmes, incluindo o lendário "Mothlight", foram criados sem o uso de câmera, pois ele foi pioneiro na arte de fazer imagens diretamente no filme, desenhando, pintando e arranhando.

Nascido como Robert Sanders em Kansas City, Missouri, em 14 de janeiro de 1933, Brakhage foi adotado e renomeado três semanas após seu nascimento por Ludwig e Clara Brakhage.

Na infância, Brakhage foi destaque no rádio como um soprano infantil e cantou em coros de igreja e como solista em outros eventos. Ele foi criado em Denver, Colorado, onde estudou no ensino médio com o cineasta Larry Jordan e os músicos Morton Subotnick e James Tenney. Juntos, Brakhage, Jordan, Tenney e Subotnick formaram um grupo de teatro chamado Gadflies.

Brakhage frequentou brevemente o Dartmouth College com uma bolsa antes de abandonar os estudos para fazer filmes. Ele completou seu primeiro filme, "Interim", aos 19 anos; a música do filme foi composta por seu amigo da escola, James Tenney. Em 1953, Brakhage se mudou para São Francisco para estudar no Instituto de Arte de São Francisco, na época chamado de California School of the Arts. Ele encontrou uma atmosfera mais gratificante em São Francisco, convivendo com os poetas Robert Duncan e Kenneth Rexroth, mas não concluiu sua educação, optando por se mudar para a cidade de Nova York em 1954. Lá, ele conheceu vários artistas renomados, incluindo Maya Deren (com quem ele morou brevemente), Willard Maas, Jonas Mekas, Marie Menken, Joseph Cornell e John Cage. Brakhage colaborou com os dois últimos, fazendo dois filmes com Cornell ("Gnir Rednow" e "Centuries of June") e usando a música de Cage na trilha sonora de seu primeiro filme colorido, "In Between".

Brakhage passou os próximos anos vivendo quase na pobreza e deprimido com o que considerava o fracasso de seu trabalho. Ele chegou a considerar o suicídio. Enquanto morava em Denver, Brakhage conheceu Mary Jane Collom (conhecida como Jane Wodening), com quem se casou no final de 1957. Ela se tornou sua primeira esposa. Brakhage tentou ganhar dinheiro com seus filmes, mas teve que trabalhar fazendo curtas industriais para sustentar sua família. Em 1958, Jane deu à luz o primeiro dos cinco filhos que teriam juntos, um evento registrado por Brakhage em seu filme de 1959, "Window Water Baby Moving".

Quando os primeiros filmes de Brakhage foram exibidos na década de 1950, eles muitas vezes foram recebidos com escárnio, mas no início da década de 1960, Brakhage começou a receber reconhecimento em exposições e publicações de filmes, incluindo a Film Culture, que concedeu prêmios a vários de seus filmes, incluindo "The Dead", em 1962. A declaração do prêmio, escrita por Jonas Mekas, crítico que mais tarde se tornaria um influente cineasta experimental, citou Brakhage por trazer para o cinema "uma inteligência e sutileza que geralmente são características das artes mais antigas".

De 1961 a 1964, Brakhage trabalhou em uma série de 5 filmes conhecidos como o ciclo "Dog Star Man". Os Brakhages se mudaram para Lump Gulch, Colorado, em 1964, embora Brakhage continuasse a fazer visitas regulares a Nova York. Durante uma dessas visitas, o equipamento de filme de 16mm que ele vinha usando foi roubado. Brakhage não podia pagar para substituí-lo, então optou por comprar um equipamento de filme de 8mm mais barato. Ele logo começou a trabalhar nesse formato, produzindo uma série de 30 filmes em 8mm conhecidos como "Songs", de 1964 a 1969. Os "Songs" incluem um dos filmes mais aclamados de Brakhage, "23rd Psalm Branch", uma resposta à Guerra do Vietnã e sua apresentação na mídia em massa.

Em 1969, Brakhage começou a lecionar história e estética do cinema na Escola de Instituto de Arte de Chicago, comutando de sua casa no Colorado.

Brakhage explorou outras abordagens para a produção cinematográfica nos anos 1970. Em 1971, ele concluiu um conjunto de três filmes inspirados em instituições públicas na cidade de Pittsburgh. Esses três filmes - "Eyes", sobre a polícia da cidade, "Deus Ex", filmado em um hospital, e "The Act of Seeing with One's Own Eyes", retratando autópsias - são conhecidos coletivamente como "The Pittsburgh Trilogy". Em 1974, Brakhage fez o filme "Text of Light", com duração de longa-metragem, composto inteiramente por imagens de luz refratada em um cinzeiro de vidro. Em 1979, ele experimentou o Polavision, um formato comercializado pela Polaroid, fazendo cerca de cinco filmes de 2 minutos e meio. O paradeiro desses filmes é desconhecido. Ele continuou suas explorações visuais da paisagem, da natureza da luz e do processo de pensamento e, durante o final dos anos 70 e início dos anos 80, produziu equivalentes cinematográficos do que ele chamou de "pensamento visual em movimento" em várias séries de abstrações fotográficas conhecidas como séries "Romana", "Árabe" e "Egípcia".

Stan Brakhage lecionou na Universidade do Colorado em Boulder durante o final dos anos 1970 e início dos anos 1980. Em 1986, Brakhage se separou de Jane e, em 1989, casou-se com sua segunda esposa, Marilyn. O casal teve dois filhos juntos. No final dos anos 1980, Brakhage voltou a fazer filmes sonoros, com a série de quatro partes "Faustfilm", e também concluiu o filme pintado à mão "The Dante Quartet".

Brakhage permaneceu extremamente produtivo nas duas últimas décadas de sua vida, trabalhando às vezes em colaboração com outros cineastas, incluindo seu colega da Universidade do Colorado, Phil Solomon. Vários outros filmes sonoros foram concluídos, incluindo "Passage Through: A Ritual", editado com música de Philip Corner, e "Christ Mass Sex Dance" e "Ellipses Reel 5", ambos com música de James Tenney. Ele também produziu importantes reflexões sobre a infância, adolescência, envelhecimento e mortalidade, conhecidas coletivamente como "Vancouver Island Quartet", além de inúmeras obras pintadas à mão.

Brakhage foi diagnosticado com câncer de bexiga em 1996. Em uma entrevista em vídeo em 2002, ele explicou que seu câncer foi causado pela toxicidade dos corantes anilina que ele havia usado para pintar diretamente no filme.

Brakhage se aposentou do ensino e se mudou para o Canadá em 2002, estabelecendo-se com sua segunda esposa, Marilyn, e seus dois filhos em Victoria, Colúmbia Britânica. Brakhage morreu lá em 9 de março de 2003, aos 70 anos. As últimas imagens filmadas por Brakhage foram disponibilizadas sob o título "Work in Progress". Na época de sua morte, Brakhage também estava trabalhando na série "Chinese Series", feita arranhando diretamente no filme.